基于木材模板的Zn/TiO2制备及其吸附-光催化性能研究

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为解决木质材料加工剩余物浪费及其带来的环境污染等问题,本研究提出以木质资源为框架,结合光催化技术制备具有可见光催化降解能力的复合催化剂,以可再生材料的高值化加工利用,解决其带来的环境污染问题。本论文以速生材杉木为模板作为研究对象,借助生物模板法制备Zn/Ti O2复合光催化剂。考察工艺参数的变化对复合光催化剂微观形貌和晶相结构的影响,同时对其在可见光条件下的有机污染物降解能力进行测试,探讨木材模板微观孔隙结构对催化剂吸附及光催化性能影响的作用机制。具体研究内容如下:(1)选取杉木作为模板,以不同比例Zn2+掺杂的钛酸四丁酯为前驱体,利用“前驱体浸渍-高温焙烧”的方法制备杉木模板Zn/Ti O2光催化剂。实验结果表明,以木材为模板的Zn/Ti O2为锐钛矿和金红石相的混晶结构,相较于无模板Ti O2,杉木模板Zn/Ti O2的平均晶粒尺寸为22.1nm;复合光催化剂的微观孔隙结构中有效保留了木材模板材料的3-40nm微-介孔和40-120nm介孔孔隙,改孔隙构造有效增加了催化剂对可见光的吸收效率,使光吸收波长从紫外光区提升至可见光区,禁带宽度由3.21e V减小到2.69e V,提高了其对可见光的利用率。(2)木材的分级多孔结构对于催化剂的吸附和光催化能力具有显著的影响,对木材模板Zn/Ti O2在可见光下吸附-光催化降解亚甲基蓝溶液和甲醛溶液的能力进行测试发现,木材模板的多孔多尺度孔隙结构保留对催化剂吸附性能的影响显著,相较于无模板二氧化钛,其吸附率上升8%,其对亚甲基蓝溶液和和甲醛溶液的吸附遵循伪一级动力学,属于物理表面吸附。随着Zn2+的掺杂比例增加,其对污染物的催化效率呈现先增加后减小的趋势,当Zn2+的掺杂量为1%时,相比于无模板的Ti O2,其对目标污染物的降解效率分别提高了37%和41%,动力学系数分别提高了3.1倍和2.8倍。(3)光催化过程中反应条件对催化剂的性能影响较为显著,深入探讨了催化剂的初始浓度、染料初始浓度、反应溶液p H值对其吸附-光催化降解效率的影响。当反应体系中催化剂初始浓度为3g/L、染料初始浓度10mg/L、反应溶液p H值=8时,木材模板法制备的Zn/Ti O2复合催化剂的降解率最高,达到99.3%,且木材模板Zn/Ti O2具有良好稳定性,经过五次循环催化降解,催化能力仍达到90%以上。(4)本研究对不同尺度的木材模板Zn/Ti O2的催化和吸附性能进行测试发现,木质纤维素为模板制备的Zn/Ti O2的吸附能力要高于木粉模板和木材模板,吸附效率达到22%、19%、15%,复合伪一级动力学方程反应过程。其对目标污染的催化降解效率在60min内达到98%,而以木粉、木材为模板的Zn/Ti O2及无模板的Ti O2在可见光下降解亚甲基蓝的效率仅为84%、82%和52%。(5)木材模板的尺度效应对复合光催化剂降解污染物的作用能力有着显著影响。随着木材模板尺度的减小,使得空间限域作用越显著,所得产物的粒径尺寸减小,比表面积越大,禁带宽度的减小,电子-空穴复合几率减小,光催化活性提高;此外,模板尺寸的越小,使得材料表面羟基数量增加,对光的响应能力得到提高。
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