纳米光催化材料性能研究及应用

环境污染和能源短缺是21世纪亟待解决的问题，光催化以其可直接利用太阳能作为光源和室温下直接反应等特性，成为一种理想的环境污染治理技术和洁净能源生产技术。1972年，A. Fujishima和K. Honda 在n型半导体TiO2电极上发现了水的光电催化分解作用。以此为契机，开始了以TiO2为代表的半导体金属氧化物光催化技术的发展，提供了一种理想的能源利用和环境污染治理的方法。

半导体光催化剂作为一种环境友好型光催化剂，其具有独特的光稳定、抗化学腐蚀性能，对大多数有机物具有很强的吸附降解能力，并且其性能稳定、价格低廉、无毒、光催化活性强，这使其在众多环境污染治理技术中脱颖而出。以半导体氧化物为催化剂的多相光催化过程可在室温下利用太阳光驱动光催化氧化及还原反应的发生，具有CO2还原、氧化分解有机污染物、水解制氢、杀菌、防腐、除臭等多方面功能。

本书共分8章，其中第1章系统介绍了光催化的反应机理、光催化活性的影响因素、光催化剂TiO2的制备等内容；第2章～第6章重点介绍了利用金属改性后的TiO2纳米材料光催化还原CO2的研究，对其光催化还原机理进行了初步探讨，通过对催化剂及反应条件的优化，探索提高光催化剂还原活性的具体途径和方法；第7章介绍了TiO2基镁铝水滑石光催化氧化活性的相关研究；第8章系统介绍了纳米TiO2在废水处理、气相有机物降解、染料敏化太阳能电池等领域中的实际应用。全书具有较强的技术性和针对性，可供从事纳米光催化材料性能研究及应用领域的工程技术人员、科研人员和管理人员参考，也可供高等学校环境工程、化学工程、材料工程及相关专业师生参阅。

本书中的部分研究成果是在临沂大学博士基金（40618064）、山东省自然科学基金（ZR2016BL27）的支持下取得的。在本书写作过程中，还得到了临沂大学资源环境学院多位老师等的协助，在此一并表示衷心的感谢。

限于著者水平及写作时间，书中难免有疏漏和不妥之处，殷切期望专家和读者给予批评和指正。

著者

2020年2月

本书主要介绍了纳米TiO2材料光催化还原CO2的相关研究成果，对TiO2分别与CuO和镁铝水滑石复合后的光催化特性进行了探讨和研究，并对TiO2纳米材料的光催化原理、制备方法，以及其在废水处理、气相有机物降解、染料敏化太阳能电池等相关应用进行了系统的分析。

本书具有较强的技术性和针对性，可供纳米光催化材料性能研究及应用领域的工程技术人员、科研人员和管理人员参考，也可供高等学校环境工程、化学工程、材料工程及相关专业的师生参阅。

卫静，临沂大学资源环境学院，讲师，主要从事TiO2基纳米光催化降解环境污染物的研究，博士学习期间，参与国家自然科学基金“光催化还原CO2制CH3OH的反应动力学研究”（20776103），完成各年度进展及项目结题报告的撰写；作为项目负责人立项山东省高等学校科技计划项目一项，“RE-CuO/TiO2复合材料光催化还原CO2研究”（J13LC02），2013.01 – 2015.12，已结题；作为项目负责人立项山东省自然科学基金项目一项，“Ti基纳米管阵列光催化还原CO2研究”（ZR2016BL27），2016.12-2018.11。

第1章光催化剂的机理与结构001

1.1光催化反应机理001

1.2光催化活性的影响因素003

1.2.1晶相结构的影响003

1.2.2粒径的影响004

1.2.3缺陷的影响005

1.3纳米TiO2的制备006

1.3.1化学气相沉积法006

1.3.2化学气相水解法006

1.3.3溶胶-凝胶法008

1.3.4水热法009

1.3.5微乳液法010

1.3.6液相沉淀法011

1.3.7溅射法011

1.3.8脉冲激光沉积012

1.3.9离子注入法012

参考文献012

第2章纳米TiO2光催化材料改性方法017

2.1金属离子的掺杂改性017

2.2非金属元素的掺杂改性020

2.2.1氮元素的掺杂021

2.2.2碳元素的掺杂023

2.3共掺杂改性的研究025

2.3.1两种金属离子共掺杂改性025

2.3.2两种非金属离子共掺杂改性026

2.3.3金属与非金属共掺杂改性027

2.4贵金属沉积的改性029

2.5复合半导体改性030

参考文献032

第3章Cu改性纳米TiO2光催化活性研究038

3.1实验材料与仪器039

3.2Cu改性TiO2纳米粉体制备040

3.2.1溶液配制040

3.2.2溶胶过程040

3.2.3凝胶过程041

3.2.4煅烧过程041

3.2.5研磨过程041

3.3表征分析方法042

3.3.1X射线衍射分析042

3.3.2透射电镜分析043

3.3.3X射线光电子能谱043

3.4光催化还原CO2实验044

3.4.1反应装置044

3.4.2实验过程044

3.5结果与讨论047

3.5.1X射线衍射（XRD）结果分析047

3.5.2透射电镜（TEM）结果分析050

3.5.3X射线光电子能谱（XPS）结果分析054

3.5.4Cu改性TiO2光催化还原CO2性能评价057

3.6结论064

参考文献065

第4章RE改性纳米TiO2光催化活性研究067

4.1实验材料与仪器068

4.2RE改性TiO2纳米粉体制备070

4.2.1溶液配制070

4.2.2溶胶过程070

4.2.3凝胶过程070

4.2.4煅烧过程070

4.2.5研磨过程071

4.3表征分析方法071

4.3.1X射线衍射分析071

4.3.2透射电镜分析072

4.3.3X射线光电子能谱072

4.4光催化还原CO2实验072

4.4.1光催化反应还原剂的配制072

4.4.2光催化反应条件及过程073

4.4.3产物测定073

4.5结果与讨论074

4.5.1X射线衍射（XRD）结果分析074

4.5.2透射电镜（TEM）结果分析077

4.5.3X射线光电子能谱（XPS）结果分析082

4.5.4RE改性TiO2光催化还原CO2性能评价085

4.6结论088

参考文献089

第5章RE与Cu共改性TiO2光催化活性研究091

5.1实验材料与仪器091

5.2RE与Cu共改性TiO2纳米粉体制备092

5.2.1RE-0.6CuT纳米粉体的制备092

5.2.2La-20CuT共改性纳米粉体093

5.3表征分析方法093

5.3.1X射线衍射分析093

5.3.2透射电镜分析094

5.3.3X射线光电子能谱094

5.4光催化还原CO2实验094

5.4.1光催化反应还原剂的配制094

5.4.2光催化反应条件及过程095

5.4.3产物测定095

5.5结果与讨论096

5.5.1RE-0.6CuT纳米粉体光催化还原CO2研究096

5.5.2La-20CuT纳米粉体光催化还原CO2研究104

5.6结论112

参考文献113

第6章光催化还原CO2反应条件研究114

6.1催化剂浓度对光催化还原CO2反应影响114

6.2CO2体积流量对光催化还原CO2反应影响115

6.3反应液初始pH值对光催化还原CO2反应影响116

6.3.1光催化反应116

6.3.2Zeta电位测定实验117

6.3.3实验结果与讨论119

6.4空穴捕获剂对光催化还原CO2反应影响120

6.5结论122

参考文献122

第7章TiO2基镁铝水滑石光催化活性研究124

7.1水滑石材料特性124

7.1.1水滑石的性质124

7.1.2水滑石的用途127

7.1.3水滑石的合成方法129

7.2TiO2-LDHs光催化氧化性能131

7.2.1试剂与仪器131

7.2.2TiO2-LDHs纳米粉体制备132

7.2.3光催化降解甲基橙实验134

7.2.4表征及实验结果分析135

7.3Cu-TiO2-LDHs光催化氧化性能138

7.3.1试剂与仪器138

7.3.2Cu-TiO2-LDHs纳米粉体制备139

7.3.3光催化降解甲基橙实验141

7.3.4表征及实验结果分析141

7.4结论145

参考文献146

第8章纳米TiO2的应用149

8.1废水处理中的应用150

8.1.1液相光催化反应机理150

8.1.2光催化降解废水中有机物种类151

8.2气相有机物降解中的应用157

8.2.1气相光催化反应的机理158

8.2.2气相光催化中水蒸气的作用159

8.2.3可气相光催化降解的有机物种类161

8.3染料敏化太阳能电池中的应用166

8.3.1晶型和粒径的影响167

8.3.2纳米TiO2膜的制备168

8.3.3半导体多孔薄膜电极微结构的控制和优化169

8.3.4电极的修饰170

8.4光催化还原CO2中的应用171

8.4.1CO2的理化性质171

8.4.2CO2的资源化利用172

8.4.3光催化还原CO2研究进展177

8.4.4光催化还原CO2研究存在的主要问题与发展趋势184

8.5纳米TiO2在其他领域中的应用185

8.5.1抗菌功能185

8.5.2防污除雾功能186

8.5.3空气净化功能186

8.5.4化学合成中的应用187

参考文献188

本书主要介绍了纳米TiO2材料光催化还原CO2的相关研究成果，对TiO2分别与CuO和镁铝水滑石复合后的光催化特性进行了探讨和研究，并对TiO2纳米材料的光催化原理、制备方法，以及其在废水处理、气相有机物降解、染料敏化太阳能电池等相关应用进行了系统的分析。

本书具有较强的技术性和针对性，可供纳米光催化材料性能研究及应用领域的工程技术人员、科研人员和管理人员参考，也可供高等学校环境工程、化学工程、材料工程及相关专业的师生参阅。

卫静，临沂大学资源环境学院，讲师，主要从事TiO2基纳米光催化降解环境污染物的研究，博士学习期间，参与国家自然科学基金“光催化还原CO2制CH3OH的反应动力学研究”（20776103），完成各年度进展及项目结题报告的撰写；作为项目负责人立项山东省高等学校科技计划项目一项，“RE-CuO/TiO2复合材料光催化还原CO2研究”（J13LC02），2013.01 – 2015.12，已结题；作为项目负责人立项山东省自然科学基金项目一项，“Ti基纳米管阵列光催化还原CO2研究”（ZR2016BL27），2016.12-2018.11。