第一章 緒論

在 1972 年，日本科學家 A.Fujishima 和 K.Honda[2]率先對外公布了他們的最新發現，在紫外光或自然光等的照射下半導體二氧化鈦本身會對水產生一定的分解作用，生成部分量的氫氣，兩位研究人員的發現，在全世界范圍內引起的強烈關注，引發了半導體相應的光催化技術在環保及其他工業生產領域的研究與應用。光催化技術的創新之處在于其主要是利用自然光產生的光能量對其氧化降解有機物的提供推動力，光催化技術可將許多大分子有機物無二次污染地氧化轉化成二氧化碳氣體和水等無機產物，該技術已成為全世界科研人員共同研究的環保綠色技術之一。隨著全球各地科研人員不斷深入，人們對于光催化技術的了解逐步加深，現在已發現并比較掌握的部分半導體光催化劑主要有 CdS、WO3、ZnO、TiO2、SnO2等[3]。半導體 TiO2催化劑是當前發現的各類半導體類型催化劑材料中研究較多的一種光催化劑，由于 TiO2具有無二次污染、耐酸堿腐蝕、光催化活性高、穩定性能較好、制備工藝簡單、價格比較便宜、重復使用率高等諸多優點[4,5]。

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第 2 章 實驗材料與研究方法

2.1 實驗試劑及儀器

考慮到實際工業的生產應用，為進一步探究在動態環境中 TiO2電極光電協同催化氧化降解羅丹明 B 的最優條件，在一定的基礎上，利用研制的三相流化床光電催化反應器，進行對最佳進水流量、最佳曝氣量等的研究。反應器的底面直徑為 15 厘米，高約為 80 厘米，，容積約為 15 升，容器內底部放置曝氣盤，容器底端連接蠕動泵控制流量，上部設置溢流口，形成三相流態化反應條件。

2.2 光電催化反應裝置

實驗采用有機玻璃自制的光電催化實驗反應裝置，如下圖 2.1，該反應裝置的總容積是 2.5L，在容器里面放置功率為 9W 的紫外燈做為光源、用自制的泡沫鎳做為反應的正極（不同摻雜改性的 TiO2負載在泡沫鎳），以石墨為負極。泡沫鎳電極和石墨電極分別于外部的電化學工作站連接，利用電化學工作站調控施加的外加偏電壓。

第 3 章 改性 TiO2電極的制備及光電催化性能研究.........27

3.1 引言........ 27
3.2 催化劑的制備................... 27
3.3 負載型改性 TiO2催化劑的表征及分析.............28
第 4 章 Fe-N 共摻雜改性 TiO2電極光電催化降解羅丹明 B 的優化研究 ............34
4.1 改性 TiO2催化劑最佳 Fe-N 配比的確定....................34
4.2 Fe-N 共摻雜 TiO2電極降解羅丹明 B 的研究 ........35
4.3 動態條件下改性 TiO2電極降解羅丹明 B 的研究.............39
第五章 Fe-N 共摻雜 TiO2電極光電催化降解羅丹明 B 的動力學研究 ................44
5.1 引言..................... 44
5.2 Fe-N 共摻雜 TiO2電極降解羅丹明 B 的動力學研究 .......................45
55.3 反應動力學模型的建立................ 52
5.4 本章小結.................. 53

第五章 Fe-N 共摻雜 TiO2電極光電催化降解羅丹明 B 的動力學研究

5.1 引言

為更深入性地探究不同因素對化學反應速率的影響，通常會采用反應動力學建模的方法對該反應過程進行更準確地研究。一般目標物的初始濃度、外在壓力、反應體系的溫度以及發生催化反應時的催化劑的濃度和種類都會影響反應速率，反應動力學的模型主要是表達反應速率與其影響該化學反應的各因素之間的函數關系。通過研究對應化學反應的動力學模型，我們可從中進一步了解其反應的內在規律，通過調節相關的影響因素，進而提高反應速率，使此反應過程能更好地應用于實際的工業生產當中。針對于 TiO2催化劑相關的光催化氧化反應動力學的研究較多，但是對于其在光電協同催化作用下降解污染物的反應動力學的研究比較少。本章實驗設計的Fe-N 改性 TiO2電極光電催化降解羅丹明 B 的反應動力學研究，此光電催化過程是一個包含氣體、液體、固體的多相反應體系，在各相及相界面之間都會發生一定的反應，是一個相對比較復雜的反應過程，目標反應溶液初始濃度的變化，反應溶液 PH 的變化，外加電壓的變化以及反應過程中生成的各種中間產物都會對整個反應過程的降解速率造成影響。

5.2 Fe-N 共摻雜 TiO2電極降解羅丹明 B 的動力學研究

從圖 5-1 可知，在低濃度范圍為 5-25mg/L 內，改性 TiO2電極對羅丹明 B 的降解效果伴隨其溶液的濃度增加表現出先提高后下降的過程�？赡苁怯捎诔跏剂_丹明 B 的濃度過高，其溶液的顏色變得很深，進而影響 TiO2電極表面對紫外光的吸收量，催化劑本身被激發躍遷的光電子數量相應的減小，參與反應的光子數量下降，無法產生更多的羥基自由基，從而導致其催化性能的下降[61]。如表 5-1 所示Fe-N 改性 TiO2電極在不同的初始濃度情況下的光電催化反應動力學特征。從 5 個實驗組中可知線性相關度 R2分別為 0.9685、0.9497、0.9642、0.9684、0.9497，時間 t 與 ln(ct/c0)表現出較好線性關系，可知該反應過程遵循一級動力學規律。

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第 6 章 結論

本文通過對泡沫鎳負載 Fe-N 改性 TiO2光電催化降解廢水中的羅丹明 B 的相關試驗研究和理論探討，采用溶膠-凝膠法制得負載型 Fe-N 改性 TiO2催化劑，并在自制的光電催化反應裝置中，對進行了模擬單一印染廢水的光電催化實驗，分析各因素對光電催化性能的影響，主要得出以下結論：（1）以鈦酸丁酯、無水乙醇、尿素、硝酸鐵為制作的原料，泡沫鎳為負載載體，采用溶膠-凝膠法（Sol-gel）成功制備出了金屬元素 Fe、非金屬元素 N、Fe-N 共摻雜不同種類的改性 TiO2催化劑。（2）以羅丹明 B 為模型單一印染廢水，使用無摻雜改性的 TiO2電極、單獨 Fe、N 以及 Fe-N 不同摻雜的 TiO2電極進行對比光電催化降解實驗。實驗結果證明，Fe-N共摻雜 TiO2電極的降解率為 95.7%，是無摻雜 TiO2電極的 2.7 倍。對不同改性的TiO2電極進行的 SEM、XRD 同樣也表明了改性后催化劑電極擁有很好的催化氧化性能。

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參考文獻（略）

本文編號：98611