二氧化钛/生物碳复合光催化材料的制备及性能研究开题报告

1. 研究目的与意义

伴随经济的发展,工业化步伐加快和自然资源过度使用,全球生态环境在急剧恶化,环境公害事件频繁爆发,这些已经严重危害人类生存和社会的可持续发展.我国既是当今世界经济增长最快的大国,也是当今世界环境污染最为严重的大国之一.有关报道表明,全国七大水系均遭污染,一半以上严重污染,三成水体已失去使用功能.全世界大气污染最严重的20个城市中我国占了16个,城市水域受污染率高达90%以上,除此之外，未经处理的生活污水以及含氮工业废水的排放也是导致氨氮污染^[1]的主要因素。全国有7亿人经常饮用不洁净的水.环境污染对我国造成的经济损失已达gdp的15%。因而，有效地控制和治理各种化学污染物对构成人类生存最基本的水资源、土壤和大气环境的破坏是环境综合治理中的重点，开发能把各种化学污染物无害化的实用技术是环境保护的关键。光催化反应是利用半导体氧化物材料在光照表面能受激活化的特性，利用光能可有效地氧化分解有机物、还原重金属离子、杀灭细菌和消除异味。由于光催化技术可利用太阳能在室温下发生反应，比较经济，光催化剂可反复使用，所以有着传统的高温、常规催化技术及吸附技术无法比拟的诱人魅力，是一种具有广阔应用前景的绿色环境治理技术

大量研究表明,水和空气中各种有毒有害的污染物,化工生产中排放的各种烷烃,芳烃以及衍生物,卤代物,多环芳烃和杂环化合物等大都能被光催化降解.因此研究开发环境友好,高性能,廉价稳定的光催化材料是十分有意义的.先进的物理化学方法例如多相半导体光催化技术被应用来处理废水污染问题，相对于传统污水处理方法来说，传统物理方法例如吸附或者过滤只是改变了有机物污染物存在的形式，并没有从根本上使污染物消失，其他的常用方法例如化学沉积，渗透等不仅成本高昂并且会对环境造成二次污染。现如今，广泛使用的农药、化肥都含有氮、磷等化学元素，由于大部分农民缺乏相应知识，在农药化肥的使用过程中往往会发生过量使用的情况，这导致土壤中的氮含量超标，从而对耕地产生污染，同时也会破坏当地的土地结构和生态系统，再加上水土流失的影响，土壤中的残余农药、化肥便会流入水体，造成水体污染，其中最为典型的便是氨氮污染^[4]。氨氮在水体中以游离氨（nh₃）和铵离子（nh⁴ ）的形式存在，nh3和 nh4 的含量和多个因素有关，其中影响较大的因素是水体的ph值。当水体ph值为碱性时，氨氮以 nh3 的形式存在，一般情况下，水体的ph值和温度越高氨氮对水生生物产生的影响越大，严重时会导致鱼类生长缓慢、组织受损、卵存活率下降等问题；当水体 ph 值为酸性时，氨氮主要以nh⁴ 的形式存在，此时nh⁴ 会消耗水中的溶解氧，从而导致水体发黑发臭，水质下降，甚至会使水生生物缺氧而死，这严重危害到水生生物的生存环境和生存质量^[5]。

半导体光催化技术则是从根本上在光照作用下，将有机污染物降解为co₂和h₂o，对环境没有二次污染，并且光催化剂可以重复利用^[6,7]。在众多的半导体材料中,tio₂由于具有化学稳定性高,价格低廉,抗腐蚀性强和光电催化效率高等优点,目前在环境监测,污水治理,新能源材料研究等领域具有非常大的发展潜力.二氧化钛(tio₂)可以利用太阳光作为光源,具有节能和绿色环保的双重优势,在目前我国大力提倡的节能环保型社会中发挥重大作用，此外,tio₂同样是一种具有优异性能的光催化剂,但由于其自身较宽的禁带宽度,只能有效的应用于紫外光吸收,而对于可见光不能实现高效的利用,这使其应用范围受到了极大的限制.近年来,针对于如何提升tio₂的光催化性能,大量的研究工作围绕这一问题展开.在实际使用二氧化钛的过程中发现，纳米二氧化钛由于其粒径非常小，所以在使用过程中往往会出现团聚的现象，从而导致材料的比表面积下降，分散性降低，最终使得材料的光催化效率降低，同时纳米级的二氧化钛材料很难进行回收再利用，不利于后续的实验分析研究结果表明,通过对tio₂进行有效的改性可以拓展其在可见光吸收区的光催化性能,实现对其应用潜力的进一步发掘。由于二氧化钛本身并没有很强的吸附性，从而限制了其光催化能力，因此具有吸附性的多孔材料是非常适合用来负载二氧化钛的，例如：介孔材料、分子筛、活性炭、硅胶等。将二氧化钛和具有吸附性材料进行复合，从而可以利用载体的吸附性，将污染物吸附至催化剂表面，使得光催化剂周围的污染物浓度升高，最终提升二氧化钛的光催化反应速率，光催化效率可以得到显著提高。cui xianjin 等人^[8]用水热法将淀粉制成活性炭，并与二氧化钛复合形成碳基光催化材料，同时在反应中引入铁离子，对复合材料进行表面修饰，使得最终的复合材料不仅具有非常强的吸附能力，而且还使得材料具备了磁性，在提高光催化效果的同时，解决了纳米级二氧化钛材料难以回收的问题。

2. 研究内容和预期目标

1.研究花生壳的组成和结构，同时探索水热反应对花生壳向生物碳转化的影响规律。

2.将二氧化钛与花生壳同时进行水热反应制备二氧化钛/生物碳复合光催化材料。

3.将制得的二氧化钛/生物碳复合光催化材料进行表征，检验是否有其他物质生成。

3. 研究的方法与步骤

1.通过红外，元素分析，电子显微镜等对花生壳和所制备的生物碳的成分结构进行表征，分析不同反应条件的影响规律。

2.将花生壳与二氧化钛同时进行水热反应，并适当控制反应条件：如ph、反应温度、反应时间等，来制备稳定均匀的二氧化钛/生物碳复合材料。

3.通过xrd、红外光谱等分析方法进行二氧化钛/生物碳复合材料表面结构的表征。

4. 参考文献

[1] zhou, d.; zhang, s.; fu, h.; chen, j. liquefaction of macroalgae enteromorpha prolifera in sub-/supercritical alcohols: direct production of ester compounds. energ. fuel. 2012, 26, 2342-2351.

[2] miller m l, borisch j, daniel raftery a, et al. changing the product state distribution and kinetics in photocatalytic surface reactions using pulsed laser irradiation [j]. journal of the american chemical society, 1998, 120(32): a-274.

[3] li, c.; yang,x.; zhang,z.; zhou,d.; zhang,l.; zhang,s.; chen, j. hydrothermal liquefaction of desert shrub salix psammophila to high value-added chemicals and hydrochar with recycled processing water. bioresources

5. 计划与进度安排

1、2021-02-20~2021-02-25：查阅文献，了解课题背景，完成开题报告。

2、2021-02-26~2021~02-28：开展初步实验，熟悉水热法的过程。

3、2021-03-01~2021-03-03：制备生物碳复合材料