材料类毕业答辩

XXXXX大学硕士论文答辩指导教师：XX副教授学生姓名：XX20XX年X月XX日TiO2/云母复合材料的制备及其光催化性能研究SchoolofMaterialsScienceandEngineering论文提纲绪论1234样品制备与表征云母负载N掺杂纳米TiO2的研究云母负载Ag掺杂纳米TiO2的研究56全文结论云母负载纳米TiO2的研究SchoolofMaterialsScienceandEngineering一绪论1.1TiO2光催化材料概述图1-1TiO68-结构单元的连接方式图1-2金红石，锐钛矿，板钛矿的TiO68-八面体结构TiO2存在三种晶型结构，即金红石、锐钛矿和板钛矿。这些结构的区别取决于TiO68-八面体的连接方式。锐钛矿结构是由TiO68-八面体共边组成，而金红石和板钛矿结构则是由TiO68-八面体共顶点且共边组成。金红石型的单位晶格由两个TiO2组成，而锐钛矿型的单位晶格则由四个TiO2组成，因此锐钛矿有着更大的晶胞，使其表面对反应物具有更强的吸附作用，因而具有更好的光催化活性。SchoolofMaterialsScienceandEngineering1.2TiO2光催化反应特性图1-5TiO2光催化反应过程1.2.1TiO2光催化活性的影响因素晶型的影响晶粒尺寸的影响表面状态的影响SchoolofMaterialsScienceandEngineering1.2.2存在主要问题：纳米TiO2易团聚，不能重复利用。在光催化过程中的操作和在光催化后催化剂分离回收都比较困难。只能被紫外光辐射激发，太阳能利用率低。其禁带宽度较窄,电子和空穴容易复合,降低了其光催化活性。1.3解决问题的途径SchoolofMaterialsScienceandEngineering1.3.1TiO2负载研究现状液相沉积法负载载体负载方法影响因素层状、架状、环状、链状结构硅酸盐活性粉末固载法溶胶－凝胶法沉淀法膜的厚度及孔径的影响载体性质的影响负载方法对光催化活性的影响传质过程的影响SchoolofMaterialsScienceandEngineering实验采用的载体—绢云母特点：•较高的绝缘性，较好的透明度，极好的可剥分性。•晶体在｛001｝解理完全，可劈成极薄的片状，径厚比大，这一特点，可以提供一个平整光滑的基底。•表面的羟基的存在，使其显示出优越的亲水性。•化学稳定性好，无毒无二次污染。图3-1绢云母晶体结构图云母负载二氧化钛液相沉积法的基本原理及其主要化学反应如下：主反应：TiCl4+4H2O=Ti(OH)4+HClTi(OH)4+Mica=Ti(OH)4/MicaTi(OH)4/Mica→TiO2/Mica+2H2O↑副反应：HCl+NaOH=NaCl+H2OSchoolofMaterialsScienceandEngineering掺杂能够在TiO2带隙间产生一个能吸收可见光的状态导带能级减小．包括次级的混合状态。应该和TiO2有相同或者更高的电位以保证光催化循环的还原活性带隙的状态应该和TiO2充分重叠以保证光生载流子在它们的寿命周期内能经TiO2介质的传递到表面进行反应掺N制备方法改性机理形成替位掺杂形成氧空位形成间隙掺杂TiO2表面氮化法反应磁控溅射法热分解含氮有机物掺氮法溶胶─凝胶法水热法1.3.2TiO2非金属掺杂改性研究现状非金属掺杂产生可见光的响应的条件：SchoolofMaterialsScienceandEngineering图1-6Ag/TiO2界面电子迁移机理（≠表示不能）1.3.3TiO2金属掺杂改性研究现状掺杂金属离子提高TiO2的光催化效率的机制可概括为以下几个方面:掺杂可以形成捕获中心，价态高于Ti4+的金属离子捕获电子，价态低于Ti4+的金属离子捕获空穴，抑制h+/e-复合。掺杂可以形成掺杂能级，使能量较小的光子能够激发掺杂能级上捕获的电子和空穴，提高光子的利用率。掺杂可造成晶格缺陷，有利于形成更多的Ti3+氧化中心。SchoolofMaterialsScienceandEngineering1.4.2研究内容纳米TiO2∕云母复合材料的制备。纳米TiO2∕云母复合材料的结构检测及其制备工艺参数的优化。纳米TiO2∕云母复合材料的光催化性能研究，结合其结构特征确定最佳的工艺参数。拟探讨掺杂金属离子(如Ag+)或氮(N)等非金属的掺杂，获得掺杂的纳米TiO2∕云母复合材料，力求进一步优化其工艺参数，获得光催化性能更佳的复合材料。1.4本课题研究的目的意义及研究内容1.4.1研究的目的获得纳米TiO2均匀分散与片层状云母表面的结合牢固的纳米复合材料，实现纳米TiO2的尺度的可控化；如何有效的增强TiO2∕云母复合材料的光催化性能，有效降解有机物。SchoolofMaterialsScienceandEngineering二实验部分2.1实验工艺2.1.1绢云母负载纳米TiO2的制备流程SchoolofMaterialsScienceandEngineering2.1.2绢云母负载Ag掺杂纳米TiO2的制备流程2.1.2绢云母负载N掺杂纳米TiO2的制备流程SchoolofMaterialsScienceandEngineering2.2原料与仪器2.2.1实验原料名称厂家规格绢云母滁州宝塔矿业有限公司325目油酸广东汕头市西陇化工厂化学纯CP正丁醇上海振企化学试剂有限公司分析纯AR四氯化钛广东汕头市西陇化工厂化学纯CP盐酸上海振企化学试剂有限公司化学纯CP无水乙醇上海振企化学试剂有限公司化学纯CP氢氧化钠上海中秦化学试剂有限公司化学纯CP硝酸银中国上海试剂一厂甲基橙天津大茂化学试剂厂尿素广东汕头市西陇化工厂分析纯AR无水碳酸钠上海市苏燃化学试剂有限公司分析纯AR表2-1实验药品及厂家SchoolofMaterialsScienceandEngineering名称型号数显恒温水浴锅HH2定时电动搅拌器JJ-1型（100w）数显pH计PHs-25真空气氛管式炉GSL1300X电子分析天平AUY120真空干燥箱D2F-6020型电动离心机80-2型超声波清洗器KQ218旋片式真空泵磁力搅拌器日光镝灯DDG250/H型250W2.2.2实验设备表2-2实验设备及型号SchoolofMaterialsScienceandEngineering2.3样品的表征2.3.1热重（TG）分析分析材料加热过程中的失重。2.3.2X射线衍射（XRD）分析分析材料中TiO2晶型及晶粒大小。2.3.3扫描电子显微镜（SEM）分析观察焙烧后样品的表面微观形貌。2.3.4EDS分析对样品进行成分定量分布分析。2.3.5X射线光电子能谱仪（XPS）分析用于材料表面的成分分析和表面元素化学状态的分析。2.3.6UV-吸收光谱分析检测样品对紫外─可见光的吸收边。SchoolofMaterialsScienceandEngineering2.3.7样品光催化活性表征图2-2光催化降解装置3003504004505005506000.00.20.40.60.8AbsorbanceWavelength/nm0min30min60min90min120min150min图2-3加入光催化剂后甲基橙溶液的吸光度曲线自制光催化反应器（如图2-2所示），因此用UV-1800型紫外可见分光光度计测定其在λ=464nm处的吸光度，以脱色率(D)来衡量降解程度：D=(C0-C)/C0=(A0-A)/A0×100%式中，C0,C,A0,A分别表示溶液的初始浓度及脱色后的浓度、初始吸光度和脱色后的吸光度）。SchoolofMaterialsScienceandEngineering三云母负载纳米TiO2的研究本部分研究采用水解―沉淀法并经不同温度焙烧制得纳米TiO2/M光催化剂试样，并对材料的物相，微观形貌，光催化降解效果进行了系统检测与分析。3.1实验部分3.1.1绢云母预处理云母325目悬浊液含酸溶液按液固比=30：1搅拌加热85℃按0.1mol/L加HCl持续搅拌30min干燥，抽滤，洗涤，冷却至65℃至滤液中无Cl-酸洗云母SchoolofMaterialsScienceandEngineering3.1.2绢云母负载纳米TiO2催化剂的制备因素123反应温度/℃（Ai）457590加料时间间隔/min（Bi）103050去离子水与云母质量比（Ci）102040因素序号反应温度℃加料时间间隔min去离子水与云母质量比145101024530203455040475101057530206755040790104089030109905020表3-1因素水平表3-2云母负载二氧化钛的制备条件（L9(34)）经400、500、600、700℃焙烧2h，制得云母负载二氧化钛光催化剂，样品标记为TiO2/M-T（T分别为4、5、6、7）。SchoolofMaterialsScienceandEngineering3.2结果和讨论3.2.1TG分析01002003004005006007008007580859095100Temperature/℃TG/%230℃Heatingrate=10℃/minDTGTG290℃395℃65℃-4-20DTG/℃图3-2TiO2/M样品的TG-DTG图SchoolofMaterialsScienceandEngineering3.2.2样品的SEM分析图3-3样品的SEM图(a)酸洗后绢云母(b)制备条件1#样品TiO2/M-4(c)制备条件2#样品TiO2/M-4(d)制备条件5#样品TiO2/M-4(e)制备条件9#样品TiO2/M-4(f)重复利用三次后样品TiO2/M-445-10-1045-30-2075-30-2090-50-20SchoolofMaterialsScienceandEngineering3.2.3样品的XRD分析203040506070▼2θ/°MicaTi02/M-4Ti02/M-5Ti02/M-6Ti02/M-7▽▼▽▼▽▼▼Anatase▽Rutile◇Mica◇◇▽▽▽▽▼▽◇图3-4不同焙烧温度下样品的XRD谱图SchoolofMaterialsScienceandEngineering3.2.4二氧化钛包覆率的测定elementOAlSiKTiwt%51.5610.7216.335.2216.17图3-5样品TiO2/M-4的能谱分析表3-3纳米TiO2/M样品的组成估算TiO2包覆率为27%SchoolofMaterialsScienceandEngineering3.2.5样品的UV─吸收光谱分析2003004005006007008000.00.51.01.52.02.53.03.5Absorbance/(a.u.)Wavelength/nm370380aba:TiO2/M-4b:TiO2/M-6图3-6不同焙烧温度所得样品的紫外-可见漫反射光谱SchoolofMaterialsScienceandEngineering0306090120150020406080100Efficiencyofremoval/%Reationtime/minTiO2/M-4TiO2/M-5TiO2/M-6TiO2/M-7图3-7不同焙烧温度制得催化剂对甲基橙的降解效果3.2.6样品的光催化活性3.2.6.1焙烧温度对样品光催化活性的影响SchoolofMaterialsScienceandEngineering12345670.120.140.160.180.200.220.240.26Reactionrateconstant/h-1Concentration/mg·L-1图3-8TiO2/M光催化剂添加量对甲基橙降解率的影响3.2.6.2TiO2/M光催化剂的投加量对甲基橙降解率的影响SchoolofMaterialsScienceandEngineering3.2.6.3甲基橙溶液初始浓度对光催化效果的影响102