摘 要

随着经济与工业的发展，不可避免地污染了环境，其中水资源的不断恶化、日渐短缺，有机废水的治理成为了全人类有待解决的问题。半导体光催化技术在开发新能源和探索污染处理技术有着广阔的应用前景，作为光催化剂的二氧化钛，因为带隙过宽和量子效率小，需要提高它的光催化活性。碳量子点对可见光的吸收能力及上转换发光性能使二氧化钛表现出良好的光催化能力。本文中碳量子点(CQD)-TiO₂光催化剂提高光催化活性，通过CQD非金属元素掺杂，建立P型与N型碳量子点共负载二氧化钛的体系，使空穴与电子更加彻底分离。光降解实验效果显著，对比纳米TiO₂作为空白，P/N-CQD-TiO₂对甲基蓝溶液的降解效果有所提高。

关键词：TiO₂ 碳量子点 掺杂 光催化

Photodegradation of P/N Carbon Quantum Dots Loading on TiO₂

Abstract

Large-scale environmental pollution is inevitable due to the vigorous expansion of economy and manufacturing , in which water resources are deteriorating and are increasingly in short supply. The treatment of organic wastewater has turn into a issue that requires all mankind to settle. The technology of photochemical catalysis has a excellent outstanding foreground in mining alternative energy and governing dye wastewater treatment. As a catalyst of light, titanium dioxide needs to improve its photocatalytic activity due to only absorbs ultraviolet light less than 400nm low utilization rate of solar energy. In this treatise, the CQD-TiO₂ photocatalyst is doped with CQD nonmetallic elements to establish a system of P-type and N-type carbon dots co-loading titanium dioxide, so that holes and electrons are more completely separated and the photocatalytic activity of titanium dioxide is further improved. The photodegradation experiment has obvious effect. Compared with self-made TiO₂ as blank, the degradation effect of P/N-CQD-TiO₂ on methyl blue solution is improved.

Key Words:TiO₂; CQD; Adulterate; Photocatalytic

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 水处理技术 1

1.2 光催化技术 2

1.3 TiO₂简介 3

1.3.1 TiO₂结构性质 3

1.3.2 TiO₂光催化氧化技术 3

1.4 碳量子点简介 4

1.4.1 碳量子点的合成 4

1.4.2 碳量子点的特性 7

1.4.3 碳量子点/TiO₂光催化机理 8

1.5 本课题研究的内容 10

第二章 实验部分 11

2.1 实验试剂与仪器 11

2.2 二氧化钛的制备 12

2.3 碳量子点粉末的制备 12

2.4 二氧化钛与碳量子点的复合制备 14

2.5 实验样品表征与测试 14

2.5.1 UV-vis 14

2.5.2 FT-IR 14

2.5.3 光催化性能测试 15

第三章 复合光催化剂的表征与结果讨论 16

3.1 UV-vis吸收光谱图分析 16

3.2 红外吸收光谱图分析 17

3.3光降解研究 18

第四章 结论与展望 20

4.1实验结论 20

4.2前景与展望 20

参考文献 22

致 谢 25

第一章 绪论

随着经济与工业的发展，人类所生活的各方各面都处于极度优异。同时不可避免地带来的环境污染问题，引起了大家的极大关注，环境污染成为了经济社会发展过程中一个极其严重、引人深思的问题。环境污染不仅影响了社会的可持续发展，而且还对人类及地球上的其他生物的寿命与进化构成不可未知的威胁^[1]。水资源，是与人类社会联系最为密切的一种资源，人类的生存、生活、生产都离不开水。然而，由于化工、医药、农药、纺织和印染等行业的快速发展，鉴于法律法规与监管部门的不健全与职责缺失，让许多未经任何处理的工业有机废水排放到环境水体中。这些有机废水常常含有氯代苯类、多环芳烃类、有机染料等难降解的有机污染物，而这些有机污染物又具有成分复杂，毒性大，难降解等的特点^[2]。

1.1 水处理技术

水资源的日渐短缺，水质的不断恶化，对地球上的生物的生命安全，造成了极大的危害。因此，有机废水的污染治理已经成为了全人类有待解决的问题，也算是全球范围内的水处理领域中的难点和热点。现传统水处理方法在实际处理情况过程中，这些方法都存在像处理工艺复杂、处理时间长、处理效率低、处理费用高、处理不够彻底易造成二次污染等不足和缺点^[3]。

其中高级氧化技术（AOPs）在有机污染废水中的以迅速发展，在有机染料废水处理过程中取得了优异的表现。它利用羟基自由基（·OH）的强氧化作用，污染物可直接钙化成CO₂，H₂O等无机物质，或转化为低毒，可生物降解的小分子，从而提高污染物的生物降解性。促进污染物的进一步处理。·OH的氧化能力极强且非常活泼，几乎可以与水中所有有机物分子反应且无二次污染^[4]。由于高级氧化法操作简单、反应条件温和、高效且处理范围广，在精细化工、造纸以及印染等废水处理有一定的应用前景。AOPs在废水处理领域具有广阔的发展前景,仍然存在着各种各样的问题限制了AOPs实际方面的有效利用^[5]。光催化技术就是在这样的背景下，从1970年以后渐渐发展起来的一门最前沿的环保技术。太阳能的开发与利用将成为人类应对能源短缺和环境污染的重要方式之一。目前，光催化技术已成为环境修复领域一种有效的途径。半导体光催化技术，一种可以有效利用太阳能来人工模拟自然界光合作用的绿色环保型技术，已广泛应用于污水处理^[6]、CO₂还原^[7]、光解水制氢^[8]、光动力杀灭癌细胞^[9]等领域。

1.2 光催化技术

光催化技术是将光能转换成化学能的技术，在能源和环境方面有着一定的应用前景。半导体材料受到光能量的激发，产生强氧化性的自由基，能够部分或全部将大分子有机污染物分解，最终生成无机小分子物质^[10]。一方面，半导体光催化技术可用于制备新型清洁能源；一方面能室温条件下，完全降解污染物。故半导体光催化在治理水污染与空气净化方面的开发与应用具有重要的现实意义。因此，半导体光催化技术在开发新和探索污染处理技术方面具有及其长远的应用前景。能源的变革为社会和科技提供了强有力的支持，同时也奠定了其基础。

1976年，Carey等^[11]最先将光催化技术用于水中的杂质降解方面，光催化降解是光和催化剂共同作用的结果，二者缺一不可。半导体材料降解机理：紫外光光照下，当光照的能量大于或等于半导体的禁带宽度时，其电子由于受到激发而发生跃迁^[12]。电子跃迁后，低能级也就是价带上留下空穴，这些电子-空穴对经过一系列的反应会形成活性氧自由基。然后作用于水体中的污染物，最终使污染物降解为CO₂、H₂O和其它物质。光催化技术被认为是极具发展前景的催化氧化，但是半导体光催化材料对太阳光能的利用率不高，空穴(h )与光生电子(e^-)易复合^[13]。因此，开发新型的拓宽光谱吸收的光催化剂，得到太阳能的有效转换有很重要的意义。

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