改性二氧化鈰復(fù)合材料--制備與光催化性能

社會(huì)經(jīng)濟(jì)及工業(yè)化的迅速發(fā)展，在促進(jìn)了人類社會(huì)物質(zhì)文明進(jìn)步的同時(shí)也帶來(lái)了不可避免的環(huán)境污染問(wèn)題，尤其是水體污染的問(wèn)題日益嚴(yán)重。半導(dǎo)體光催化技術(shù)可利用太陽(yáng)能高效降解水體中的有機(jī)污染物，是廢水處理的有效手段。二氧化鈰及其復(fù)合材料作為光催化材料已在廢水降解領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，并展現(xiàn)出足夠的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。本書(shū)主要介紹二氧化鈰及其復(fù)合材料的制備方法、光催化性能、降解廢水的光催化原理及使用情況。通過(guò)構(gòu)建具有p-n 型異質(zhì)結(jié)、直接Z 型異質(zhì)結(jié)的二氧化鈰復(fù)合材料，拓寬了其光譜響應(yīng)范圍，促進(jìn)了光生載流子的分離，有效提高其光催化降解有機(jī)污染物的活性。并結(jié)合相關(guān)的表征手段，闡述了不同復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和組成對(duì)其光催化性能的影響，揭示了結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。
本書(shū)適宜從事光催化材料以及環(huán)境、能源等相關(guān)專業(yè)的科研人員參考。

陳歡歡，博士，畢業(yè)于東北大學(xué)，任職于東北大學(xué)秦皇島分校資源與材料學(xué)院，高 級(jí)實(shí)驗(yàn)師。近年來(lái)主要從事光催化材料的制備及應(yīng)用等方面的研究工作。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人主持了中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目 1 項(xiàng)，同時(shí)積極參與了國(guó)家自然科學(xué)基金、河北省自然科學(xué)基金等多項(xiàng)科研課題。在本領(lǐng)域權(quán)威期刊《Materials Letters》、《Ionics》、《Transactions of Nonferrous Metals Society of China》《有色金屬工程》等發(fā)表論文近10篇， 申請(qǐng)相關(guān)發(fā)明專利4項(xiàng)

光催化處理有機(jī)廢水，不需要電源，不產(chǎn)生其他的產(chǎn)物，效率高，針對(duì)性強(qiáng)，成為近來(lái)科研熱點(diǎn)。而其中關(guān)鍵就是光催化劑的研發(fā)和制備。本書(shū)著眼于新型光催化劑的研發(fā)，技術(shù)先進(jìn)，原創(chuàng)性強(qiáng)，制備與表征工藝實(shí)踐指導(dǎo)價(jià)值大，對(duì)于相關(guān)的科研工作有明顯的指導(dǎo)意義。本書(shū)適宜從事環(huán)境保護(hù)、三廢處理以及催化工程相關(guān)的技術(shù)人員參考。

隨著社會(huì)工業(yè)化的快速發(fā)展，含有有機(jī)污染物的工業(yè)廢水被大量排放到水體中，導(dǎo)致當(dāng)?shù)厮w環(huán)境的惡化，給人類健康帶來(lái)威脅。光催化技術(shù)能夠把太陽(yáng)能有效地轉(zhuǎn)換為化學(xué)能，實(shí)現(xiàn)以太陽(yáng)能為驅(qū)動(dòng)力降解廢水中的有機(jī)污染物，是解決水體污染問(wèn)題的理想途徑。光催化技術(shù)能在溫和的條件下實(shí)現(xiàn)低濃度有機(jī)廢水的高效降解，且降解產(chǎn)物一般為二氧化碳、水和無(wú)毒的有機(jī)小分子，無(wú)二次污染產(chǎn)生，因此，受到了國(guó)內(nèi)外研究者的青睞。然而在實(shí)際應(yīng)用中，半導(dǎo)體光催化研究領(lǐng)域還存在許多問(wèn)題，例如，能夠高效吸收可見(jiàn)光的半導(dǎo)體材料仍較稀有，單一組分的半導(dǎo)體光催化劑光生電子-空穴對(duì)的分離效率有待提高，量子效率不理想等。這些技術(shù)瓶頸制約了光催化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。因此，發(fā)掘具有高效且響應(yīng)可見(jiàn)光的新型半導(dǎo)體光催化材料，以及基于現(xiàn)有半導(dǎo)體催化材料進(jìn)行改性，以擴(kuò)大其可見(jiàn)光吸收范圍，實(shí)現(xiàn)光生電子-空穴對(duì)分離效率的提高是目前光催化領(lǐng)域研究的重點(diǎn)問(wèn)題。
為推動(dòng)我國(guó)光催化材料的發(fā)展，幫助高校、企業(yè)院所研發(fā)，我們撰寫(xiě)了《改性二氧化鈰復(fù)合材料——制備與光催化性能》一書(shū)。全書(shū)分為5章。第1章介紹了二氧化鈰及其復(fù)合材料的制備方法、二氧化鈰復(fù)合材料的改性方法；第2章主要介紹了制備及表征二氧化鈰及其復(fù)合材料的原材料、表征及光催化性能測(cè)試方法；第3章介紹了采用不同方法制備的二氧化鈰光催化劑及其性能和應(yīng)用；第4、5章介紹了具有不同異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的二氧化鈰復(fù)合材料，闡述了不同異質(zhì)結(jié)的構(gòu)筑理念、具體制備方法、光催化降解廢水的機(jī)理及應(yīng)用情況，結(jié)合各種表征手段，深入淺出地分析了不同異質(zhì)結(jié)促進(jìn)光生載流子分離的有效途徑。
本書(shū)對(duì)復(fù)合材料光催化劑的制備及改性的闡述層次分明，對(duì)從事光催化材料以及環(huán)境、能源等相關(guān)專業(yè)的科研人員具有參考價(jià)值。編著者有近十年從事光催化材料合成、改性及光催化技術(shù)降解水體中有機(jī)污染物的研究經(jīng)驗(yàn)，有光催化材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能調(diào)控的大量實(shí)踐經(jīng)歷，根據(jù)自身的科研經(jīng)驗(yàn)以及參考了大量國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，進(jìn)行了本書(shū)的編寫(xiě)。第1、2、4、5章由陳歡歡（東北大學(xué)）編寫(xiě)。第3章由羅紹華（東北大學(xué)）、雷雪飛（東北大學(xué)）和陳歡歡（東北大學(xué)）編寫(xiě)，全書(shū)由陳歡歡統(tǒng)一補(bǔ)充修改定稿。
本書(shū)的研究工作和編寫(xiě)得到了河北自然科學(xué)基金（E2022501030）、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（2023GFZD03和N2223009）和東北大學(xué)秦皇島分校河北省電介質(zhì)與電解質(zhì)功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室績(jī)效補(bǔ)助經(jīng)費(fèi)（22567627H）的資助，在此致謝。同時(shí)對(duì)給予本書(shū)啟示和參考的文獻(xiàn)作者予以致謝。
改性復(fù)合材料光催化劑的涉及面廣，又是正在蓬勃發(fā)展之中，編著者水平有限，難免掛一漏萬(wàn)，不妥之處，敬請(qǐng)專家和讀者批評(píng)指正。

著者

第1章 緒論 001
1.1 概述 002
1.2 半導(dǎo)體光催化的基本原理及應(yīng)用 003
1.2.1 光催化的基本原理 003
1.2.2 光催化對(duì)有機(jī)污染物降解的應(yīng)用 005
1.3 二氧化鈰光催化材料 012
1.3.1 二氧化鈰結(jié)構(gòu) 012
1.3.2 二氧化鈰基材料的制備方法 013
1.4 二氧化鈰光催化材料的改性 018
1.4.1 形貌調(diào)控 018
1.4.2 金屬元素?fù)诫s 020
1.4.3 異質(zhì)結(jié)的構(gòu)建 021

第2章 改性二氧化鈰的制備與表征 036
2.1 原材料和設(shè)備 037
2.1.1 原材料 037
2.1.2 設(shè)備 037
2.2 制備方法 038
2.2.1 CeO2 的制備方法 038
2.2.2 CuO/CeO2 復(fù)合材料的制備 039
2.2.3 g-C3N4 的制備 039
2.2.4 CeO2/g-C3N4 復(fù)合材料的制備 040
2.2.5 CuO/CeO2/g-C3N4 復(fù)合材料的制備 040
2.3 材料表征方法 040
2.4 光催化性能測(cè)試 042
2.4.1 光催化降解亞甲基藍(lán)溶液性能測(cè)試 042
2.4.2 光催化降解苯酚溶液性能測(cè)試 043

第3章 微波輔助法制備CeO2 及其光催化性能研究 044
3.1 概述 045
3.2 二氧化鈰光催化材料制備 046
3.3 微波界面法制備CeO2 光催化材料的結(jié)構(gòu)特性研究 048
3.3.1 物相及結(jié)構(gòu)分析 048
3.3.2 微觀形貌及比表面積分析 049
3.3.3 光學(xué)性質(zhì)分析 055
3.3.4 XPS 分析 056
3.4 微波界面法制備CeO2 光催化材料的光催化性能分析 059
3.5 微波回流法制備CeO2 光催化材料的結(jié)構(gòu)特性研究 063
3.5.1 物相及結(jié)構(gòu)分析 063
3.5.2 微觀形貌及比表面積分析 065
3.5.3 光學(xué)性質(zhì)分析 067
3.6 微波回流法制備CeO2 光催化材料的光催化性能分析 068
3.7 CeO2 光催化降解MB 的機(jī)理分析 070
3.8 微波界面法與微波回流法制備CeO2 的性能對(duì)比 072
3.9 正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì) 074
3.10 單因素優(yōu)化實(shí)驗(yàn) 075
3.10.1 物相及結(jié)構(gòu)分析 076
3.10.2 微觀形貌及比表面積分析 077
3.10.3 光學(xué)性質(zhì)分析 079
3.10.4 光催化性能分析 080
3.11 小結(jié) 082

第4章 CuO/CeO2 復(fù)合材料的制備及其光催化性能的研究 083
4.1 概述 084
4.2 CuO/CeO2 復(fù)合材料的制備 085
4.3 CuO/CeO2 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)特性研究 085
4.3.1 物相及結(jié)構(gòu)分析 085
4.3.2 微觀形貌及比表面積分析 087
4.3.3 XPS 分析 091
4.4 CuO/CeO2 復(fù)合材料光催化性能與機(jī)理研究 093
4.4.1 光催化性能分析 093
4.4.2 光催化機(jī)理分析 095
4.5 小結(jié) 101

第5章 CeO2/g-C3N4 異質(zhì)結(jié)的構(gòu)建及其光催化性能的研究 103
5.1 概述 104
5.2 CeO2/g-C3N4 復(fù)合光催化材料的制備 105
5.3 CeO2/g-C3N4 復(fù)合光催化材料結(jié)構(gòu)特性研究 106
5.3.1 物相及結(jié)構(gòu)分析 106
5.3.2 微觀形貌及比表面積分析 108
5.3.3 XPS 分析 114
5.4 CeO2/g-C3N4 復(fù)合光催化材料光催化性能及機(jī)理研究 116
5.4.1 光催化性能分析 116
5.4.2 光催化機(jī)理分析 118
5.5 小結(jié) 125

參考文獻(xiàn) 127