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摘 要

本文采用两种方案（直接循环合成法，烘干定量循环合成法）对参与合成二氧化钛后废液中的离子液体多次利用，并再参与制备合成二氧化钛。然后通过各种结构和性能测试的手段对循环后的二氧化钛的结构稳定性和光催化性能稳定性进行表征。

研究结果表明了直接循环合成法合成的二氧化钛随循环次数的增加而导致粒径减小和降解性能降低，而烘干定量循环合成法制备的样品结构以及光催化性能保持稳定，实现了离子液体循环再利用，降低二氧化钛生产成本。

本文的特色：方法简单，实现离子液体可循环，降低了成本。

关键词：二氧化钛；离子液体；光催化；可回收

Abstract

In this paper, the ionic liquid in the waste liquid after the synthesis of titanium dioxide was used for many times, and then was used to prepare titanium dioxide. The structural stability and photocatalytic stability of the recycled titanium dioxide were then characterized by various means of structural and performance testing.

The results show that with the increase of the number of cycles, the particle size and degradation performance of titanium dioxide synthesized by the direct cycle synthesis method decrease, while the sample structure and photocatalytic performance of the drying quantitative cycle synthesis method remain stable, realizing the recycling of ionic liquid and reducing the production cost of titanium dioxide.

Features of this paper: the method is simple, the ionic liquid can be recycled, and the cost is reduced.

Key Words：Titanium Dioxide; ionic liquids; photocatalysis; recyclable

目录

第1章 绪论

1.1 研究目的及光催化原理 1

1.1.1研究目的 1

1.1.2光催化原理 1

1.2二氧化钛简述 2

1.3二氧化钛制备方法 2

1.3.1 水热法 2

1.3.2溶胶凝胶法 3

1.3.3气相沉积法 3

1.3.4静电纺丝法 4

1.4改性方法 4

1.4.1掺杂 4

1.4.2贵金属沉积 5

1.4.3半导体复合 5

1.4.4表面染料光敏化 5

1.5应用领域 5

1.5.1空气净化 6

1.5.2污水处理 6

1.5.3杀菌消毒 7

1.6离子液体简述 7

1.7课题的主要研究内容、目标 7

第2章 实验原料与实验方法

2.1方案一：直接循环合成法 8

2.1.1实验药品 8

2.1.2实验设备 8

2.1.3实验方法 9

2.2方案二：烘干定量循环合成法 9

2.2.1实验药品 9

2.2.2实验设备 10

2.2.3实验方法 11

2.3样品名称 11

2.4结构表征 12

2.4.1 X射线衍射（XRD）分析 12

2.4.2 扫描电子显微镜（SEM）分析 12

2.4.3 N₂ 吸附-脱附实验（BET）分析 12

2.5材料性能评价实验 12

2.5.1光降解亚甲基蓝 12

2.5.2光催化产氢 12

第3章 实验结果与讨论

3.1方案一：直接循环合成法的结果分析 13

3.1.1 X射线衍射（XRD）结果分析 13

3.1.2扫描电子显微镜（SEM）结果分析 13

3.1.3光降解亚甲基蓝结果分析 14

3.2方案二：烘干定量循环合成法的结果分析 15

3.2.1 X射线衍射（XRD）结果分析 15

3.2.2扫描电子显微镜（SEM）结果分析 15

3.2.3 N₂ 吸附-脱附实验（BET）分析 15

3.2.4光降解亚甲基蓝结果分析 15

3.2.5光催化产氢 18

第4章 结论与展望

4.1结论 19

4.2展望 19

参考文献

致 谢

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论文测试及分析费用一览表

第1章 绪论

1.1 研究目的及光催化原理

1.1.1研究目的

近年来，由于工业的不断发展，化石燃料的消耗持续增加，随之带来的能源消耗和环境破坏成为了目前人们急需解决的问题。为了保护环境和实现自然资源的可持续发展，人们开展了很多绿色能源和环境保护的相关研究。光催化技术最早出现于20世纪70年代，由Fujishima A和Honda K^[1]首次提出。1976年，随着Carey J K^[2]等人利用半导体降解了废水中的有机污染物，光催化技术正式应用于环境保护领域。由于光催化技术出色的环保性能，成为了人们的研究重点并逐渐运用于空气净化、水消毒与净化有害废物处理等环境应用领域。二氧化钛的制造成本低，有着优秀的稳定性，光催化活性好，无毒，耐腐蚀，对环境友好等等特点，所以是为数不多的可以广泛应用还对环境危害不大的光催化剂。但是，由于二氧化钛的禁带宽度较宽，所以它在可见光区的利用率受到限制，同时其光生电子与空穴的复合率高也限制了它的实际应用^[3-4]。离子液体作为熔融盐，具有较低的氧分压，使得吸附在二氧化钛表面上的有机物在高温煅烧分解过程中消耗了二氧化钛晶格中的氧，产生了高浓度的氧空位缺陷^[5]，从而提高了二氧化钛的光催化效率。但是，由于离子液体价格昂贵，导致合成的二氧化钛光催化剂的成本较高，所以凭借离子液体的稳定性对其进行回收再利用，提高其利用率，成为了我们这次研究的目的。

1.1.2光催化原理

波长小于或等于387nm的光照会使二氧化钛价带上的电子变得活跃，这些价带上的电子会跃迁至导带，使导带上带上了电子，而价带上则产生相应的电子空位。一般情况下，这些电子与空位会自然的复合，但是由于二氧化钛的禁带较宽，许多电子与空位来不及复合，这些电子和空位就会迁移到二氧化钛表面并与水中的氧和氧化物发生反应，生成产物是羟基自由基和O₂^-，这些产物的氧化性很强，他们再与水中的有机无机污染物进行一系列的反应，使之分解，从而达到光催化降解的效果。其反应方程式^[6]如下：

TiO₂＋hv →h ＋e^-

h ＋OH→·OH h ＋H₂O→·OH ＋H

e^-＋O₂→·O₂^-

H₂O＋·O₂^-→HO₂·＋OH

2HO₂·＋e＋H₂O→H₂O₂＋OH

H₂O₂＋e→·OH＋OH H₂O₂＋·O₂^-→·OH＋H

1.2二氧化钛简述

二氧化钛，俗称钛白粉^[7]，具有密度小，化学性质稳定，介电常数高，热稳性高，折射率高，遮覆性强的特性。二氧化钛凭借这些特性被广泛应用于涂料，塑料，造纸，油墨等领域。近年来，还作为一种高效的半导体光催化剂出现在环境应用领域。

二氧化钛通常存在三种不同的多晶相^[8,9,11]：金红石、锐钛矿和板钛矿，其中锐钛矿和金红石相是四方晶体结构，分别具有空间基团I4₁/amd和P4₂/mnm，板钛矿是正交晶体结构，具有空间基团Pbca，但是他们的晶体结构都是由一个Ti原子和六个O原子组成的TiO6八面体。金红石相的晶体结构的对称性很好，高温下也不容易被破坏，所以表现出更好的热力学稳定性，相对而言锐钛矿相和板钛矿相的晶体结构不像金红石那样稳定，在高温环境下很容易向金红石相转变。板钛矿相一般只在自然环境中存在，在实验室中合成他的纯相是很困难的，而锐钛矿和金红石相的合成则相对简单很多，故很少有研究报道是关于板钛矿相的。锐钛矿相的光催化活性要比金红石相要高，一是因为金红石相与锐钛矿相相比，带隙能更小, 其较正的导带阻碍了氧气的还原反应，所以其光催化活性更小；二是因为金红石相的晶胞与锐钛矿相相比更小，结构更稳定，更致密，不容易产生空位与电子对，而锐钛矿相中存在很多的缺陷和空位，容易产生空位与电子对，从而提升其光催化活性；三是因为锐钛矿相在向金红石相转化的时候要经过高温，它的表面发生了不可逆的脱羟基反应，而羟基是产生光生载流子的主要物质，同时由于高温，金红石相的表面面积要比锐钛矿小，所以金红石相的光催化活性不如锐钛矿相。锐钛矿相二氧化钛不仅具有优秀的光催化活性，还有着二氧化钛本身的优秀物理化学特性，所以常被用于研究光电转化，锂电池电极，二氧化碳还原为碳氢化合物燃料，光催化分解水制氢，光诱导催化或合适的半导体光催化有机和无机污染物分解等能源和环境领域。例如，叶信余^[10]等采用模板辅助法制备了SnO₂/TiO₂复合空心球，并以此为光电极，电转换效率可达到7.72%，而且以锐钛矿相二氧化钛为底层制成双层结构光电极，光电转化效率还会进一步提高。金红石相二氧化钛由于其稳定性，无毒且对紫外光吸收率高的特性被广泛应用于涂料，塑料，化妆品等领域。例如，空调室外机耐候PP复合材料^[7]。以钛白粉为掺加剂制备的塑料空调外壳相比于传统的金属外壳具有质量轻、不锈蚀、噪声小、工艺简单、生产效率高、成本低等优点。防晒霜^[11]。由于钛白粉无毒且对可见光紫外线有着屏蔽和吸收作用，作为防晒剂掺入的防晒霜具有很好的防晒效果。板钛矿相二氧化钛由于合成困难，不适用于大规模的工业生产。目前，板钛矿相二氧化钛主要用于实验研究。

1.3二氧化钛制备方法

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