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基于硫醇类有机物降解的磁性碳纳米管复合光催化剂的制备及光催化性能和机理研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 硫醇类化合物的概述

1.1.1 硫醇类化合物的来源及危害

1.1.2 硫醇的治理措施

1.2 光催化技术

1.2.1 概述

1.2.2 TiO2光催化的应用及存在问题

1.3 碳纳米管

1.3.1 概述

1.3.2 碳纳米管在光催化中的应用

1.4 纳米磁性材料

1.4.1 概述

1.4.2 纳米磁性材料在光催化中的应用

1.5 分子印迹光催化技术

1.5.1 概述

1.5.2 分子印迹光催化原理

1.5.3 分子印迹光催化的分类

1.5.4 分子印迹光催化的应用

1.6 选题目的意义与研究内容

1.6.1 选题目的、意义

1.6.2 研究内容

第二章 实验材料、装置与分析测试方法

2.1 试剂与仪器

2.1.1 主要实验试剂

2.1.2 主要实验仪器

2.2 光催化剂的表征

2.2.1 X射线衍射

2.2.2 扫描电镜和透射电镜

2.2.3 等离子光谱法

2.2.4 傅立叶红外光谱

2.2.5 紫外-可见漫反射光谱

2.2.6 热重分析

2.2.7 比表面积

2.2.8 磁性测试和导电性测试

2.3 光催化性能的测试方法

2.3.1 吸附

2.3.2 光催化降解

2.3.3 选择性

2.3.4 稳定性

第三章 TiO2/Fe3O4/MWCNTs光催化剂的制备与光催化性能研究

3.1 引言

3.2 TiO2/Fe3O4/MWCNTs复合光催化剂的制备

3.2.1 Fe3O4/MWCNTs的制备

3.2.2 TiO2/Fe3O4/MWCNTs的制备

3.3 TiO2/Fe3O4/MWCNTs复合光催化剂的表征与分析

3.3.1 X射线衍射图谱

3.3.2 扫描电镜和X射线能谱

3.3.3 透射电镜

3.3.4 傅立叶红外光谱图分析

3.3.5 紫外-可见漫反射光谱

3.3.6 磁性分析

3.4 TiO2/Fe3O4/MWCNTs光催化剂的光催化活性研究

3.4.1 不同的阳离子对光催化活性的影响

3.4.2 不同的阴离子对光催化活性的影响

3.4.3 不同的NaCl添加量对光催化活性的影响

3.4.4 不同的pH对光催化活性的影响

3.4.5 稳定性

3.5 小结

第四章 TiO2/Fe3O4/MWCNTs分子印迹光催化剂的制备与光催化性能研究

4.1 引言

4.2 TiO2/Fe3O4/MWCNTs分分子印迹光催化剂的制备

4.3 TiO2/Fe3O4/MWCNTs分子印迹光催化剂的表征与分析

4.3.1 X射线衍射图谱

4.3.2 傅立叶红外光谱图分析

4.3.3 扫描电镜,X射线能谱和透射电镜

4.3.4 等离子光谱分析

4.3.5 热重分析

4.3.6 紫外-可见漫反射光谱

4.3.7 磁性分析

4.4 TiO2/Fe3O4/MWCNTs分子印迹光催化剂的光催化活性研究

4.4.1 功能单体的影响

4.4.2 聚合反应时间的影响

4.4.3 吡咯添加量的影响

4.4.4 选择性

4.4.5 中间产物分析

4.4.6 稳定性

4.5 小结

第五章 CoFe2O4/MWCHTs分子印迹光催化剂的制备与光催化性能研究

5.1 引言

5.2 CoFe2O4/MWCHTs分子印迹光催化剂的制备

5.2.1 CoFe2O4/MWCHTs的制备

5.2.2 CoFe2O4/MWCHTs分子印迹光催化剂的制备

5.3 CoFe2O4/MWCHTs分子印迹光催化剂的表征与分析

5.3.1 X射线衍射图谱

5.3.2 透射电镜

5.3.3 比表面积分析

5.3.4 等离子光谱分析

5.3.5 傅立叶红外光谱图分析

5.3.6 紫外-可见漫反射光谱

5.3.7 磁性分析

5.4 CoFe2O4/MWCHTs子印迹光催化剂的光催化活性研究

5.4.1 不同催化剂对BT光催化降解活性

5.4.2 不同浓度的BT对光催化活性的影响

5.4.3 选择性光催化降解实验

5.4.4 光催化剂机理讨论

5.4.5 CoFe2O4/MWCHTs分子印迹光催化剂的稳定性

5.5 小结

第六章 结论与进一步工作建议

6.1 研究主要结论

6.2 创新性

6.3 进一步工作建议

参考文献

致谢

附录:攻读硕士期间发表的论文

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摘要

硫醇类化合物具有挥发性恶臭和毒性,溶于水体后,使水体产生异嗅。它不仅影响水体质量,也会危害到人们的身体健康。因此,寻找一种有效的方法来处理环境废水中的硫醇类化合物对于保护环境具有重要意义。目前,光催化技术去除环境中的污染物已得到国内外的广泛关注。由于传统光催化剂存在回收难,无选择性等问题而限制了其应用,因而利用合适的载体和改性手段来增强光催化剂的功能化,从而提高光催化处理环境硫醇类化合物的性能。据此,本论文通过设计制备具有磁性功能并耦合分子印迹技术的复合光催化剂,以达到催化剂的磁回收循环利用和选择性降解硫醇类化合物的目的。本论文的主要研究内容如下:
  (1)以多壁碳纳米管(MWCNTs)为载体,采用水热法合成了Fe3O4/MWCNTs磁性复合材料,并通过溶胶-凝胶法制备了TiO2/Fe3O4/MWCNTs复合光催化剂。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱(EDS)、透射电子显微镜(TEM)、傅立叶红外光谱(FT-IR)、紫外-可见漫反射光谱(UV-vis DRS)和振动样品磁强计(VSM)等手段对TiO2/Fe3O4/MWCNTs复合光催化剂的表面微观形貌、结构和性质进行表征;光催化活性实验表明复合光催化剂在紫外光下对2-巯基-1-甲基咪唑的降解效果较好,同时考察了溶液条件对光催化活性的影响,当加入外源离子时,光催化活性得到抑制,而pH对光催化活性的影响显得较为复杂。
  (2)选取TiO2/Fe3O4/MWCNTs复合光催化剂为基质,以2-巯基-1-甲基咪唑为模板分子,吡咯为功能单体,三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯(TRIM)为交联剂,偶氮二异庚腈(ABVN)为引发剂,采用悬浮聚合法制备了以聚吡咯(PPy)为印迹层修饰的TiO2/Fe3O4/MWCNTs分子印迹光催化剂(MCIPs-1)。利用XRD、FT-IR、SEM、EDS、TEM、电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)、热重分析(TGA)、UV-vis DRS和VSM等手段对MCIPs-1的表面微观形貌、结构和性质进行表征。光催化降解的结果表明,当模板分子2-巯基-1-甲基咪唑和功能单体吡咯的摩尔比为1∶4,且合成时间为24 h时,制得的MCIPs-1对2-巯基-1-甲基咪唑具有较高的光催化活性和选择性,光降解过程符合准一级动力学反应。
  (3)以水热合成法制备了CoFe2O4/MWCNTs磁性碳纳米复合材料并以其为基质,然后以2-巯基苯并噻唑(MBT)为模板分子,吡咯为功能单体,TRIM为交联剂,ABVN为引发剂,采用悬浮聚合法制备了以PPy为印迹层的CoFe2O4/MWCNTs分子印迹光催化剂(MCIPs-2)。采用XRD、TEM、比表面积(BET)、ICP-OES、FT-IR、UV-vis DRS和VSM等手段对MCIPs-2的表面微观形貌、结构和性质进行表征。光催化活性实验表明,MCIPs-2对低浓度的MBT具有较高的光催化活性和选择性,光降解过程符合准一级动力学反应。

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