基本信息
- 项目名称：
- 纳米复合材料Ag/TiO2的微波辅助合成与光催化性能研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 采用P123作为模板剂，通过溶胶-凝胶-程序升温溶剂热一步法并经不同时间的微波辐射处理，制备了一系列纳米复合材料Ag/TiO2。采用XRD、XPS、TEM、N2吸附-脱附测定和SEM-EDS等测试手段对其组成、结构及形貌进行了表征。以甲基橙为模型分子，考察了经不同时间微波辐射的纳米复合材料Ag/TiO2的紫外光催化活性，不同类型有机污染物的降解和重复利用实验效果均较好。
- 详细介绍：
- 采用EO20PO70EO20(P123)作为模板剂，通过溶胶-凝胶-程序升温溶剂热一步法并经不同时间的微波辐射处理，制备了一系列纳米复合材料Ag/TiO2。采用X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、透射电子显微镜（TEM）、N2吸附-脱附测定和扫描电子显微镜配合X 射线能量色谱仪(SEM-EDS)等测试手段对其组成、结构及形貌等进行了表征。结果显示，微波辐射5 min制备的催化剂Ag/TiO2的晶型结构最佳，该产物中Ag以单质形式存在，其比表面积可达100.64 m2•g-1，平均孔径约为6.9 nm。与未经微波辐射的样品相比，其颗粒细小，结构规则，分布均匀，无明显团聚现象。以甲基橙为模型分子，考察了经不同时间微波辐射处理的纳米复合材料Ag/TiO2的紫外光催化活性。结果表明，在微波功率为200W，微波时间为5 min获得的Ag/TiO2的催化活性最高，降解速率最快，循环使用3次后降解率仍能达到80%以上，且该复合材料对不同类型的有机污染物均表现了良好的光催化性能。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 本课题采用溶胶-凝胶-程序升温溶剂热一步法制备一系列Ag/TiO2纳米复合材料，经XRD、XPS、SEM-EDS、TEM、N2吸附-脱附等近代测试手段，对其组成、结构、表面物理化学性质及形貌进行表征。并且，通过紫外光催化降解污染物实验来考察合成产物的光催化活性。目的是通过微波辐射合成方法获得晶型结构良好、结构规整、分散均匀，并具有高光催化活性的贵金属掺杂纳米复合材料Ag/TiO2。
科学性、先进性及独特之处
- 合成中对复合催化剂进行了微波辐射处理，利用微波的作用来有效改变催化剂的形貌和结构，使产物的晶型更加规则，颗粒尺寸更小，分散的更加均匀，从而较好的克服传统溶胶-凝胶法的缺陷，进一步提高了催化剂的光催化活性。 微波辐射下进行纳米复合材料Ag/TiO2的制备与光催化性能的研究国内外报道较少，该研究具有一定的先进性。
应用价值和现实意义
- 该技术操作方便，处理时间短，反应比较彻底，设备简单，无二次污染物产生，而且本课题制备的纳米复合材料Ag/TiO2是一种新型环保材料，其光催化活性较高，光催化应用范围较广，对较难降解的偶氮结构化合物具有较好的催化效果，可以回收利用，重复多次后降解效果依然较高。即使通常情况下较难降解的有机污染物，一般经过持续反应也可达到完全矿化，在污水处理方面具有很好的应用前景。
学术论文摘要
- 采用EO20PO70EO20(P123)作为模板剂，通过溶胶-凝胶-程序升温溶剂热一步法并经不同时间的微波辐射处理，制备了一系列纳米复合材料Ag/TiO2。采用X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、透射电子显微镜（TEM）、N2吸附-脱附测定和扫描电子显微镜配合X 射线能量色谱仪(SEM-EDS)等测试手段对其组成、结构及形貌等进行了表征。结果显示，微波辐射5 min制备的催化剂Ag/TiO2的晶型结构最佳，该产物中Ag以单质形式存在，其比表面积可达100.64 m2•g-1，平均孔径约为6.9 nm。与未经微波辐射的样品相比，其颗粒细小，结构规则，分布均匀，无明显团聚现象。以甲基橙为模型分子，考察了经不同时间微波辐射处理的纳米复合材料Ag/TiO2的紫外光催化活性。结果表明，在微波功率为200W，微波时间为5 min获得的Ag/TiO2的催化活性最高，降解速率最快，循环使用3次后降解率仍能达到80%以上，且该复合材料对不同类型的有机污染物均表现了良好的光催化性能。
获奖情况
- 《纳米复合材料Ag/TiO2 的微波辅助合成与光催化性能研究》于2010年11月在齐齐哈尔大学第九届大学生课外学术作品竞赛中获得自然科学类二等奖
鉴定结果
- 该作品真实有效。
参考文献
- [1] Moulder J. F., Stick W. F., Sobol P. E., Bomben K. D. Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy[M], USA: Perkin-Elmer. Corp, 1992: 182 [2] Xin B. , Jing L. , Ren Z. , Wang B. , Fu H. J. Effects of Simultaneously Doped and Deposited Ag on the Photocatalytic Activity and Surface States of TiO2 [J]. Phys.Chem.B, 2005, 109(7): 2805-2809. [3] Ren W. , Ai Z. , Jia F. , Zhang L.et al. Low temperature preparation and visible light photocatalytic activity of mesoporous carbon-doped crystalline TiO2 [J]. Appl.Catal.B, 2007, 69(3-4): 138-144. [4] 李莉,陆丹,计远,赵月红. 纳米复合材料Ag/TiO2-ZrO2的制备及其微波增强光催化甲基橙[J].物理化学学报,2010,26(5):1323-1329. [5] Sing, K. S. W., Everett, D. H.,Haul, R. A. W.,et al. Reporting physisorption data for gas/solid systems with special reference to the determination of serface area and porosity[J].Pure Appl. Chem., 1985,57(4): 603-619.
同类课题研究水平概述
- 纳米TiO2能处理多种有毒化合物，包括工业有毒溶剂、化学杀虫剂、木材防腐剂、染料及燃料油等，迄今详细研究过的有机物达100种以上。此外，TiO2光催化技术也被用于无机污染物的处理。利用光催化法在柠檬酸根离子存在下，可以使Hg2+被还原成Hg而沉积在TiO2表面；此法同样适用于铅。TiO2光催化可能降解的无机污染物还有氰化物，SO2、H2S、NO和NO2等有害气体也能被吸附在TiO2表面，在光的作用下转化成无毒无害物质，在处理印染工业废水方面也有很好的应用。但是，由于TiO2禁带宽度为3.2eV，其光谱响应范围仅限于波长小于380 nm的紫外区，以及其光生电子-空穴易复合等原因，在一定程度上导致了TiO2的光利用率大大降低和较低的量子效率，限制了其光催化活性的进一步提高。为解决这一问题，研究者开始在TiO2表面负载Pt、Ag、Au等贵金属，以期抑制光生电子-空穴的复合，并取得了一定的研究成果。该研究的出发点是因为当功函数较高的金属与功函数较低的半导体接触后，就会形成Schottky势垒，有利于电子从半导体向金属迁移，从而降低了光生电子-空穴的复合率，提高光催化活性。 近年来，随着微波化学这门新兴的前沿交叉学科越来越引起人们的重视，最近几年对微波在光化学领域的研究逐渐增多。微波是一种电磁波，有物理、化学、生物学效应，可用于各种目的，如微波加热；微波诱导催化反应。其应用有以下优点：加热均匀；加热速度快，一般只需通常加热的十分之一时间，可产生所需的物理和化学作用如：微波加热促进化学反应：改进产品质量，效率高、反应灵敏、便于控制等。由于微波可在一定程度上对反应体系快速升温、加快反应速率，因此，采用微波辅助技术光催化降解的研究逐渐开展，但在材料合成中采用微波辅助技术则国内较少报道。
