高效二氧化钛基光催化剂的制备及光催化动力学文献综述

一、选题依据及意义

二氧化钛光催化材料在光降解有机污染物和光解水产氢等方面表现出了巨大的潜力，但是其固有的一些缺陷（禁带宽度较宽，只能吸收利用紫外光；材料本身光生电子空穴复合几率较大等）限制了进一步大规模的应用。为了提高二氧化钛的光催化性能，人们在拓宽二氧化钛光吸收范围和提高光生载流子分离效率方面进行了大量的研究，目前行之有效的途径包括构建异质结和加入助催化剂。本课题在分析总结二氧化钛光催化剂研究现状的基础上，设计和制备新型的二氧化钛基异质结材料，研究异质结构建对其光催化性能的影响，进行合理优化，开发出高效二氧化钛光催化剂。

二、研究方案

整个实验分为两个步骤，合成二氧化钛和光催化实验。采用的研究手段是对比实验。

合成二氧化钛合成步骤如下所述：10ml冰乙酸、5ml钛酸异丙酯（TTIP）和5ml去离子水顺序添加，呈白色凝乳，搅拌四十分钟，直到反应液为无色澄清。将反应溶液转移至水热釜内胆，装好后，放入200℃的恒温干燥箱反应一小时。取出冷却，除去上清液，将白色固体转移至100ml的烧杯中，加50ml的蒸馏水，超声分散成乳状液。将溶液分散至离心管，配平，在转速14000转下离心二十分钟，离心三次。弃去上清液，加水，搅拌超声，将溶液分散至离心管，配平，在转速14000转下离心二十分钟，离心三次。弃去上清液，用乙醇洗涤，搅拌超声，将溶液分散至离心管，配平，在转速14000转下离心二十分钟，离心四次。取出，弃去上清液，烘箱70℃干燥过夜。产品从烘箱中取出，研磨，重复水洗步骤两次，弃去上清液，用乙醇洗涤，搅拌超声，将溶液分散至离心管，配平，在转速14000转下离心二十分钟，离心四次，弃去上清液，烘箱70℃干燥过夜。取出干燥的产物，收集然后研磨，重复水洗步骤两次，弃去上清液，烘箱70℃干燥过夜，得到成品。

光催化实验则是使用TiO₂材料在水中通过吸附和光催化联合去除抗生素，在紫外光照射下去除率会显著提升。本课题在分析总结二氧化钛光催化剂研究现状的基础上，设计和制备新型的二氧化钛基异质结材料，研究异质结构建对其光催化性能的影响，进行合理优化，开发出高效二氧化钛光催化剂。

实验步骤如下：首先使用含冷凝水夹套的玻璃反应器进行光催化反应,以四环素为降解对象。在暗场条件下，将50 mg二氧化钛催化剂与50 mL 0.16 mmol/L四环素水溶液混合超声五分钟后，开始计时，在磁力搅拌下搅拌每隔一定的时间进行取样，过滤(滤膜孔径0.22 mu;m)，取澄清溶液，使用紫外-可见吸收光谱仪测试溶液在530 nm处的吸光度，并且根据朗伯-比尔定律来计算溶液浓度的变化，绘制相应的浓度时间曲线，得出暗场吸附平衡时间。同样在暗场条件下，分别配制不同浓度梯度的四环素溶液，催化剂浓度1 g/L ，超声处理五分钟后搅拌至吸附平衡测试溶液中四环素浓度，绘制吸附平衡曲线。两个吸附平衡曲线会有很大的不同。

抗生素的光催化降解实验在氙灯光源照射下进行，反应液体积50 mL，催化剂浓度1 g/L，四环素浓度为0. 16 mmol/L，测试光照过程中四环素浓度变化绘制出浓度光照时间曲线比较不同TiO₂的光催化活性。然后在同等条件下使用P25型TiO₂(Degussa)作为光催化剂进行对比实验，评价两步法所得样品的光催化活性。在强光照射下，将50 mg二氧化钛催化剂与50 mL 0.16 mmol/L四环素水溶液混合超声五分钟后，开始计时，在磁力搅拌下搅拌每隔一定的时间进行取样，过滤(滤膜孔径0.22 mu;m)，取澄清溶液，使用紫外-可见吸收光谱仪测试溶液在530 nm处的吸光度，并且根据朗伯-比尔定律来计算溶液浓度的变化，绘制相应的浓度时间曲线，得出吸附平衡时间。

光催化剂在光照下的活性衰减情况用循环实验来考察。配制250 mL的0.16 mmol/L 四环素溶液，催化剂浓度1 g/L，暗场吸附平衡后进行光照，每隔一定时间取样测试记录所取溶液总体积，待颜色完全褪色至无色透明后，补充适量高浓度四环素溶液保证每个循环的初始染料浓度为0.16 mmol/L，体积250 mL，光照下继续取样测试复上述操作，绘制多次循环的光降解曲线。

收集整理数据，开始进行比对，得到结论。

三、实验条件

1、二氧化钛的合成

试剂：钛酸异丙酯（TTIP）、乙酸、去离子水

仪器：烧杯、玻璃棒、水热釜、干燥箱、搅拌器、离心机、烘箱、超声仪

2、光降解实验

试剂：四环素溶液、二氧化钛

仪器：烧杯、水夹套的玻璃反应器、氙灯、遮光板、锡纸、紫外-可见吸收光谱仪

四、进度计划

2021.02 课题的前期了解，学生自主进行文献查阅。

2021.03.01-05.15课题具体实施阶段，进行二氧化钛的合成和光降解实验，二氧化钛的合成需要一个月左右，得到实验数据。

2021.05.16-06 数据整理，学生开始撰写毕业论文，得到初稿，然后修改论文，并且按照要求完成论文。

五、能力要求

学生可以理解课题，拥有查阅文献的能力。学生能够在老师的指导下自主独立地完成课题，进行实验，成功得到实验数据，并且学会分析整理数据，完成毕业论文的撰写。

六、参考文献

[1]Deng Hao,Li Zi-Jie,Wang Xu-Cong,Wang Lin,Liu Kang,Yuan Li-Yong,Chang Zhi-Yuan,Gibson John K,Zheng Li-Rong,Chai Zhi-Fang,Shi Wei-Qun. Efficient Photocatalytic Reduction of Aqueous Perrhenate and Pertechnetate.[J]. Environmental science technology,2019,53(18).

[2]刘秋红,李凯静,吴松浩,韩冰,侯鹏,董立峰,孙琼.纳米多孔二氧化钛微球光催化剂对染料污水的降解处理[J].青岛科技大学学报(自然科学版),2021,42(01):72-77.