二氧化鈦及其在光催化領域中的應用

二氧化鈦及鈣鈦礦型光催化材料，在光催化凈水領域受到廣泛關注，并在相關領域展現(xiàn)出足夠的競爭優(yōu)勢。本書在全面介紹二氧化鈦及鈣鈦礦型光催化材料的基礎上，著重對納米二氧化鈦、鈣鈦礦型光催化材料在光催化還原Cr6+單一體系、光催化處理Cr6+-乙酸復合體系、光催化處理Cr6+-檸檬酸復合體系、光催化處理Cr6+-檸檬酸-硝酸鐵復合體系的應用進行了介紹，闡述了相關材料結(jié)構和組成對于其光催化性能的影響，并結(jié)合相關的表征手段，對于相關的光催化性能進行了分析和比較。
本書適宜從事光催化材料以及材料、物理、能源等相關專業(yè)的科研人員參考。

雷雪飛，博士，副教授，碩士生導師，任職于東北大學秦皇島分校資源與材料學院。主講本科生課程“冶金物理化學”“鋼鐵冶金原理”“爐外精煉”及研究生課程“材料熱力學”等。近年來主要從事二次資源綜合利用與環(huán)境保護、有色金屬資源的分離提取與循環(huán)利用以及光催化凈水材料的制備與應用等方面的研究工作。主持了3項河北省自然科學基金、4項中央高?；究蒲袠I(yè)務費、參與了多項國家自然科學基金子課題。以第一作者在本領域權威期刊Journal of Alloys and Compounds、Applied Surface Science、Separation and Purification Technology、Transactions of Nonferrous Metals Society of China、《中國有色金屬學報》等發(fā)表論文20余篇，申請相關發(fā)明專利10余項。

光催化劑在石化和涂料等行業(yè)內(nèi)應用廣泛，發(fā)揮著不可替代的作用。本書結(jié)合作者多年的科研經(jīng)驗，詳細介紹了二氧化鈦，尤其是納米二氧化鈦光催化劑的顆粒結(jié)構設計、改性、表征、性能以及應用體系等，技術先進，對于相關產(chǎn)品開發(fā)具有指導價值。

光催化是催化化學、光電化學、半導體物理、材料科學和環(huán)境科學等多學科交叉的新興研究領域。環(huán)境和能源是21世紀人類必須面臨和亟待解決的重大問題，光催化以其室溫深度反應和可直接利用太陽能作為能源來驅(qū)動反應等獨特性能，而成為一種理想的環(huán)境污染治理技術和潔凈能源生產(chǎn)技術。材料、信息技術和生物技術是21世紀社會經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱，光催化材料作為一類重要的功能材料，具有廣闊的應用前景。由于TiO2光催化活性高、化學穩(wěn)定性好、價廉無毒、壽命長、可重復利用而被公認為是最具應用前景的光催化劑。但TiO2較寬的能隙（3.2eV）決定了其只能吸收紫外光波（僅占太陽光6%左右）。長期以來，在提高TiO2對太陽能的利用率方面沒有取得巨大突破，因此人們?nèi)栽趯ふ倚碌母咝Ч獯呋瘎?。同時，鈣鈦礦是地球上最多的礦物，由于其全范圍的電氣性能，人們很早就開始了鈣鈦礦結(jié)構的人造晶體的合成以及對其在鐵電、壓電、超導等性能方面的研究與應用，另外，在氣敏材料、汽車尾氣凈化、催化有機合成、光催化處理廢水等方面，鈣鈦礦型復合氧化物也表現(xiàn)出了良好的性能。目前存在的主要問題是研究者制備的鈣鈦礦型氧化物多是用化學試劑在較嚴格的實驗條件下完成的，生產(chǎn)量小、制備成本較高、易燒結(jié)、穩(wěn)定性不夠好，很難在實際廢水處理中應用。因此，雖然光催化劑的研究已經(jīng)有幾十年的歷史，合成技術研究也已形成較多的成果，但把光催化劑應用于工業(yè)化規(guī)模，尚存在技術與經(jīng)濟的問題。
為了推動我國的光催化材料的發(fā)展，幫助高校、企業(yè)院所的研發(fā)，我們編著了《二氧化鈦及其在光催化領域中的應用》一書。全書包括七章，主要敘述了納米二氧化鈦、鈣鈦礦型光催化材料的制備方法、結(jié)構，光催化性能的調(diào)控以及其在光催化還原Cr6+單一體系、光催化處理Cr6+-乙酸復合體系、光催化處理Cr6+-檸檬酸復合體系、光催化處理Cr6+-檸檬酸-硝酸鐵復合體系的應用。著者已有十多年從事相關方向的教學、科研以及技術轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的豐富經(jīng)驗，有光催化材料的結(jié)構設計和性能調(diào)控的大量實踐經(jīng)歷，根據(jù)自身的體會以及參考了大量國內(nèi)外相關文獻，進行了本書的編寫。第1章由羅紹華（東北大學）、陳歡歡（東北大學）和雷雪飛（東北大學）編寫，第2～7章由雷雪飛編寫，全書由雷雪飛統(tǒng)一修改定稿。本書的研究工作和編寫得到了河北自然科學基金（E2022501030）、河北省自然科學基金—基礎研究專項重點項目（E2021501029）、中央高校基本科研業(yè)務費（2023GFZD03和N2223009）、東北大學秦皇島分校河北省電介質(zhì)與電解質(zhì)功能材料重點實驗室績效補助經(jīng)費（22567627H）和河北省電介質(zhì)與電解質(zhì)功能材料重點實驗室運行經(jīng)費（14460109）的資助，同時對給予本書啟示和參考的文獻作者予以感謝。
光催化材料的涉及面廣，又處于蓬勃發(fā)展之中，著者水平有限，書中不妥之處，敬請專家和讀者批評指正。

雷雪飛
2023年9月

第1章緒論1
1.1概述3
1.2二氧化鈦的性質(zhì)與合成4
1.2.1氣相法4
1.2.2液相法5
1.2.3固相法7
1.3TiO2光催化機理7
1.4提高TiO2光催化性能的途徑8
1.4.1改進TiO2催化劑的制備技術9
1.4.2TiO2催化劑表面的螯合和衍生作用10
1.4.3離子摻雜改性處理TiO2催化劑10
1.4.4TiO2復合半導體12
1.4.5有機染料光敏化處理TiO2催化劑13
1.5復合光催化體系在提高TiO2光催化性能中的應用14
1.5.1光催化與氧化劑組合14
1.5.2光催化與空穴清除劑組合15
1.5.3光催化與電化學組合15
1.5.4光催化與超聲技術組合16
1.5.5光催化與微波加熱技術組合16
1.5.6光催化與生物技術組合17
1.5.7光催化與磁化技術組合18
1.6鈣鈦礦型光催化劑的制備及應用研究進展18
1.6.1鈣鈦礦型光催化劑結(jié)構19
1.6.2鈣鈦礦型光催化劑的制備方法20
1.6.3鈣鈦礦型光催化劑的應用研究21
1.7光催化技術發(fā)展方向及存在問題23

第2章二氧化鈦光催化活性的研究25
2.1概述27
2.2工藝流程27
2.3XRD結(jié)果分析29
2.3.1pH對XRD的影響29
2.3.2反應時間對XRD的影響32
2.4UV-Vis漫反射光譜分析33
2.4.1不同pH樣品的紫外-可見光漫反射吸收光譜33
2.4.2不同反應時間樣品的紫外-可見光漫反射吸收光譜34
2.5光致發(fā)光光譜（PL）分析35
2.6掃描電鏡（SEM）分析36
2.7比表面積及孔徑分布（BET）分析37
2.8可見光催化劑還原Cr6+的分析39
2.8.1pH對紫外光催化還原Cr6+的影響39
2.8.2反應時間對可見光下光催化還原Cr6+的影響41
2.9正交實驗設計42

第3章STBBFS3005吸附性能的研究47
3.1概述49
3.2STBBFSx-5的合成與表征49
3.2.1STBBFSx-5光催化劑的晶相結(jié)構與形貌50
3.2.2STBBFSx-5光催化劑的光吸收特性53
3.2.3STBBFSx-5光催化劑的TG分析54
3.3熱力學與動力學分析55
3.3.1pH值對STBBFS300-5吸附Cr6+的影響55
3.3.2Cr6+初始濃度對STBBFS300-5吸附Cr6+的影響57
3.3.3吸附劑投加量對STBBFS300-5吸附Cr6+的影響58
3.3.4吸附溫度對STBBFS300-5吸附Cr6+的影響58
3.3.5吸附等溫線59
3.3.6表觀吸附動力學模型61
3.3.7吸附熱力學模型63
3.3.8吸附機理探討64

第4章光催化還原Cr6+單一體系的研究69
4.1概述71
4.2光源對STBBFS300-5光催化還原Cr6+的影響71
4.3光強對STBBFS300-5光催化還原Cr6+的影響72
4.4pH值對STBBFS300-5光催化還原Cr6+的影響73
4.5酸介質(zhì)對STBBFS300-5光催化還原Cr6+的影響76
4.6催化劑投加量對STBBFS300-5光催化還原Cr6+的影響79
4.7Cr6+初始濃度對STBBFS300-5光催化還原Cr6+的影響80
4.8循環(huán)流量對STBBFS300-5光催化還原Cr6+的影響81
4.9STBBFS300-5的使用壽命和分離性能82
4.10Cr6+單一體系正交實驗設計83
4.11表觀動力學分析85
4.12光催化機理探討86

第5章光催化處理Cr6+-乙酸復合體系的研究91
5.1概述93
5.2AA/Cr6+體積比對Cr6+光催化還原效率的影響93
5.3Cr6+初始濃度對Cr6+-AA復合體系中Cr6+光催化還原效率的影響95
5.4pH值對Cr6+-AA復合體系中Cr6+光催化還原效率的影響96
5.5Cr6+-AA復合體系正交實驗設計99
5.6協(xié)同效應對Cr6+-AA復合體系中Cr6+光催化還原效率的影響101
5.7Cr6+-AA復合體系中表觀動力學分析104
5.8Cr6+-AA復合體系中光催化機理探討105

第6章光催化處理Cr6+-檸檬酸復合體系研究111
6.1概述113
6.2Cr6+-CA復合體系中影響因素及光催化機理113
6.2.1CA/Cr6+摩爾比對Cr6+光催化還原效率的影響113
6.2.2Cr6+初始濃度對Cr6+-CA復合體系中Cr6+光催化還原效率的影響114
6.2.3pH值對Cr6+-CA復合體系中Cr6+光催化還原效率的影響116
6.2.4協(xié)同效應對Cr6+-CA復合體系中Cr6+光催化還原效率的影響119
6.2.5Cr6+-CA復合體系中表觀動力學分析121
6.2.6Cr6+-CA復合體系中光催化機理探討121
6.2.7對比不同復合體系對Cr6+光催化還原效率的影響123

第7章光催化處理Cr6+-檸檬酸-硝酸鐵復合體系的研究127
7.1概述129
7.2Cr6+-CA-FN復合體系中影響因素及光催化機理129
7.2.1Fe3+與Cr6+/CA摩爾比對Cr6+光催化還原效率的影響129
7.2.2Cr6+初始濃度對Cr6+-CA-FN復合體系中Cr6+光催化還原效率的影響130
7.2.3pH值對Cr6+-CA-FN復合體系中Cr6+光催化還原效率的影響131
7.2.4協(xié)同效應對Cr6+-CA-FN復合體系中Cr6+光催化還原效率的影響134
7.2.5Cr6+-CA-FN復合體系中表觀動力學分析135
7.2.6Cr6+-CA-FN復合體系中光催化機理探討136

參考文獻140