1. 研究目的与意义（文献综述）

随着中国社会经济的发展，工业生产和人民生活对于资源的需求不断提升，对于化石燃料的消耗越来越多，这导致了环境问题日益严重。其中，大气污染问题尤为突出。根据来源，大气污染物主要可以分为两种：一种是直接排放进入大气的污染物，例如：二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）及固体颗粒物（PMgt;2.5）等。另一种是在大气中发生化学反应后产生的污染物，例如：臭氧（O3）、硝酸（HNO3）等。在这些污染物中，NOx问题尤为突出。其能够导致臭氧层空洞，光化学烟雾和酸雨等，对生态环境造成极大的影响。虽然单纯自然条件下也会有NOx生成，但汽车尾气和火力发电厂却是NOx的主要来源。目前，主要的氮氧化物控制技术分为两类：一类是初级脱硝技术，即采用燃料预处理等手段减少氮氧化物排放，这类方法通常效果有限，但不适用于所有情况。另一类是废气脱硝技术，最常见的技术为选择性催化还原（SCR）。然而，此反应必须在较高的温度下进行（320-400 ℃），要求SCR装置必须放置在气体预加热装置之前，气体中的大量灰尘（例如K2O，CaO和As2O3）会降低催化剂的催化作用和使用寿命。此外，就从运输、存储等实际成本上而言使用NH3将NO还原成N2的技术并不经济。因此，研究低温下将NOx氧化为硝酸盐，突破SCR技术的瓶颈，十分重要。

光催化技术是一种新型技术，用于脱除有毒物质，如挥发性有机物（VOC)或NOx等，在环境治理方面具有极其重要的研究和应用前景。作为一种有着广泛应用的光催化剂，二氧化钛（TiO2）一直以来得到人们大量的关注，相关报道也是层出不穷，也有不少学者致力于开发具有实际应用价值的TiO2光催化脱硝剂。Devahasdin等[1]、Wang等[2]以及Dalton等[3]以商业TiO2（P25）为光催化剂研究了存在紫外光照射下催化氧化脱硝的机理。Ao等[4, 5]将商业TiO2置于过滤器中，考察了湿度、停留时间等影响因素对光催化氧化脱硝过程的影响，同时还探讨了不同含水条件下脱除NO和挥发性有机物的效果。这些前人的工作肯定了将TiO2光催化剂应用于脱硝治理的可能性。然而，通过研究和实际的测试也发现TiO2光催化剂体系也存在不少缺陷。对于纯TiO2体系而言，其产生的电子空穴对（e-/h ）中有一部分会发生快速复合，也就意味着该部分电荷载流子不会参与到催化反应之中，造成脱硝效率降低。同时，TiO2禁带宽度为3.0-3.2 eV，只能被波长小于400 nm的光子激发，而太阳光主要能量集中于可见光和红外光波段。为了发挥出TiO2更大的效能，Rowan Leary等[6]认为可以从以下几个方面提高TiO2光催化反应效率：（1）缩小光催化剂的实际带隙宽度；（2）减小电子空穴复合的概率；（3）提高催化剂吸附反应气体的能力。

自2004年第一次被发现，石墨烯在材料科学领域很快便成为一个热点，因具有极佳的电子电导率，独特的大表面2D结构，结构灵活性和化学稳定性。这些独特的性能使得它可能成为负载TiO2良好的载体。如果将TiO2和石墨烯相复合，一方面石墨烯巨大的表面积可以提高TiO2晶粒的分散程度，从而增加活性位点的数目，提高催化反应速率。另一方面，石墨烯具有良好的导电性能有可能抑制TiO2中e-/h 的复合，使其参与催化反应，通过化学键合处的传递产生更多具有强氧化的活性基团，从而提高催化剂的效能。Yun等[7]通过制备TiO2(P25)-rGO纳米复合材料，结果表明光催化降解2,4-二氯苯氧乙酸具有更好的活性。同时，Andreia Morais等[8]通过溶胶-凝胶和水热处理方法制备TiO2/rGO复合薄膜作为光电阳极来催化分解水制备氢气和氧气，其中，rGO片层是电子的受体，降低了电荷在转移过程中的重组。Yasuhiro Shiraishi等[9]通过将TiO2负载在还原氧化石墨烯的表面来制备光催化剂，测定其催化环己烷的效率，结果表明TiO2/rGO的催化效率（gt;80%）比纯的TiO2的催化效率（60%）高，TiO2的导带价电子可以通过光照转移至还原氧化石墨烯表面，从而有效的促进电荷分离以及光催化剂的循环使用。同时，石墨烯和TiO2的复合将改变TiO2的带隙，使得波长长于400 nm的可见光也可以激发电子跃迁。由此可见，将TiO2和石墨烯相复合对提高光催化剂的催化效果有着重要的意义。

因此，本设计在研究TiO2光催化剂的基础上，将其与石墨烯复合，以实现提高光催化剂脱硝性能的目的。同时，光催化脱硝机理的初步研究为相关领域的发展提供科学依据。

2. 研究的基本内容与方案

研究内容：

本课题主要以二氧化钛光催化剂为研究对象，以高纯度石墨粉和钛酸四丁酯为原料，采用溶剂热法制备石墨烯负载tio2光催化剂；利用一系列结构测试方法对其微观结构进行表征。搭建光催化脱硝测试系统并测试复合光催化剂的脱硝性能，在此基础上分析结构与性能相关性。具体的研究内容主要包括以下几方面：

1) 石墨烯负载tio2光催化剂的制备

以hummers法制备的氧化石墨烯为前驱体，采用溶剂热制备石墨烯负载tio2光催化剂，研究溶剂热反应时间、温度、溶剂类型等实验条件对复合催化剂结构的影响规律，获得最佳制备工艺。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告；

第4－7周：按照设计方案，制备石墨烯负载tio2光催化剂；

第8－9周：采用xrd、fe-sem、tem、bet等测试技术对催化剂的物相、显微结构进行分析；

第9－12周：使用自制光催化脱硝装置测试催化剂的脱硝性能；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] s devahasdin, c fan jr, k li, et al. tio2 photocatalytic oxidation of nitric oxide: transient behavior and reaction kinetics[j]. journal of photochemistry and photobiology a: chemistry, 2003, 156(1-3): 161-170.

[2] h wang, z wu, w zhao, et al. photocatalytic oxidation of nitrogen oxides using tio2 loading on woven glass fabric[j]. chemosphere, 2007, 66(1): 185-190.

[3] j s dalton, p a janes, n g jones, et al. photocatalytic oxidation of nox gases using tio2: a surface spectroscopic approach[j]. environmental pollution, 2002, 120(2): 415-422.