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1、硕士学位论文硕士学位论文CdS-TiO2/MWCNTs可见光光催化降解气相甲苯甲苯研究甲苯研究作者姓名尹发平学科专业环境工程指导教师黄碧纯所在学院环境科学与工程学院论文提交日期2011.6The photocatalytic activity of CdS-TiO2/MWCNTs on the degradation of gas-phase toluene under visible light irradiation A Dissertation Submitted for the Degree of MasterCandidate：Faping YinSupervisor：Prof. H

2、uang BichunSouth China University of Technology Guangzhou, China分类号：X 51 学校代号：10561学 号：200820115162 华南理工大学硕士学位论文 CdS-TiO2/MWCNTs可见光光催化降解气相甲苯研究作者姓名：尹发平 指导教师姓名、职称： 黄碧纯 教授申请学位级别：硕士 学科专业名称：环境工程研究方向：大气环境及控制技术论文提交日期：2011 年 6 月 1 日 论文答辩日期：2011 年 6 月 6 日学位授予单位：华南理工大学 学位授予日期： 年 月 日答辩委员会成员：主席： 委员： 华南理工大学学位论文原

3、创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 尹发平 日期： 2011年 6 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅（除在保密期内的保密论文外）；学校可以公布学位论文

4、的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。本学位论文属于：保密，在 年解密后适用本授权书。不保密,同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏览；同意将本人学位论文提交中国学术期刊(光盘版)电子杂志社全文出版和编入CNKI中国知识资源总库，传播学位论文的全部或部分内容。(请在以上相应方框内打“”)作者签名： 日期：指导教师签名： 日期 作者联系电话： 电子邮箱：联系地址(含邮编)：摘 要随着工业的快速发展，大量挥发性有机污染物(VOCs)排放严重威胁生态环境和人类健康。研制具有可见光响应的光催化材料，为高效利

5、用太阳能来解决环境污染问题已成为近年研究的一大热点。本文利用溶胶凝胶法制备复合半导体光催化剂CdS-TiO2/MWCNTs，以甲苯为目标污染物，研究工艺参数对CdS-TiO2/MWCNTs光催化活性的影响，探讨光催化过程中光催化剂中CdS的光腐蚀度，以及光催化过程中的中间产物和副产物。研究的主要内容和结果如下：采用溶胶-凝胶法制备的CdS-TiO2/MWCNTs具有较大的比表面积，孔径分布集中在2-10nm，其中TiO2的颗粒大小约为4.5nm。由TEM图片可知CdS-TiO2纳米颗粒较为均匀地分布在多壁碳纳米管上。XPS结果表明，复合光催化剂中MWCNTs表面存在多种含氧基团，如C-O、C=

6、O等。Ti主要以Ti4+和Ti3+形态存在，氧元素以三种形式存在：Ti4+-O、Ti3+-O和OH。Cd和S分别主要以Cd2+和S2-形态存在。在复合半导体光催化剂CdS-TiO2/MWCNTs和CdS-TiO2中均存在Ti3+，而在TiO2/MWCNTs中Ti元素只有一种存在形式Ti4+，表明CdS的加入可能能促进复合光催化剂中Ti3+的形成，而Ti3+能为氧气提供吸附位及捕获光生电子，可以有效地提高光催化剂的光催化活性。通过UV-vis及PL分析及光催化剂CdS、CdS-TiO2、TiO2/MWCNTs、CdS/MWCNTs及CdS-TiO2/MWCNTs的活性对比可知，TiO2与CdS的

7、复合负载在多壁碳纳米管上有利于提高光催化剂的可见光性能。在甲苯进口浓度为360mg/m3、质量空速为12 Lh-1g-1，波长大于400nm的可见光波长下，甲苯的降解率可达61.8%。研究表明湿度、气体流速和甲苯初始浓度对光催化性能影响较大，绝对湿度为0.4%时光催化降解甲苯的性能最好，气体停留时间对光催化性能影响较明显。XPS和UV-vis的表征结果表明CdS-TiO2/MWCNTs不能完全避免CdS的光腐蚀，但相对于单一的CdS，复合光催化剂CdS-TiO2/MWCNTs能降低CdS的光腐蚀速率。CdS-TiO2/MWCNTs中CdS光腐蚀的产物主要为SOx.原位红外光谱分析表明，甲苯在C

8、dS-TiO2/MWCNTs光催化剂表面形成较强的化学吸附。苯甲醛和苯甲酸等是光催化降解甲苯过程中产生的主要中间产物，其中苯甲酸的深度氧化是整个光催化过程的速率控制步骤。苯甲醛和苯甲酸等中间产物强烈吸附在光催化剂表面是导致光催化剂失活的原因之一。甲苯在CdS-TiO2/MWCNTs和CdS-TiO2光催化剂表面的光催化降解过程符合一级反应动力学方程，相对于CdS-TiO2，甲苯在CdS-TiO2/MWCNTs光催化剂上的反应速率常数和初始反应速率均明显提高。关键词：CdS-TiO2/MWCNTs；光催化；甲苯；可见光；光腐蚀；原位红外光谱AbstractWith the rapid devel

9、opment of industry, environment and human health have been greatly threatened by the emission of volatile organic pollutants (VOCs). Development of visible light response photocatalyst for the efficient of solar energy to solve the problem of environmental pollution has become a hot topic in recent

10、years. In this paper, a nanocomposite of CdS-TiO2/MWCNTs was prepared by a sol-gel method. The effects of reaction parameters on photocatalytic activities of CdS-TiO2/MWCNTs were investigated, in which toluene was the target pollutant. The photocorrosion degree of CdS-TiO2/MWCNTs, intermediates and

11、by-products during the photocatalytic degradation of toluene were also investigated. The results of the research were as fellow:As-prepared CdS-TiO2/MWCNTs photocatalyst had greater surface area, pore size distribution was in the range of 2-10 nm, in which TiO2 nanoparticle size was about 4.5nm. TEM

12、 image showed that CdS-TiO2 nanoparticles were evenly distributed on the multi-walled carbon nanotubes. XPS results showed that a variety of functional groups (such as C-O, C=O and so on) was identified on the surface of MWCNTs. As well, Ti exists mainly in the form of Ti4+ and Ti3+. The oxygen elem

13、ent exists mostly in three morphologies, that is Ti4+-O、Ti3+-O and OH. In addition, Cd and S elements are mainly in the form of Cd2+ and S2-. Both of composite photocatalyst CdS-TiO2/MWCNTs and CdS-TiO2 exist Ti3+, however, Ti elements in TiO2/MWCNTs only exist in the form of Ti4+, it indicated that

14、 the addition of CdS may be able to promote the formation of Ti3+. Ti3+ can provide oxygen adsorption sites and capture photoinduced electrons to improve the photocatalytic activity. CdS-TiO2/MWCNTs has a better photocatalytic property using CdS as combination and MWCNTs as support by the analysis o

15、f UV-vis, PL spectrum and comparison of the photocatalytic activities of CdS, CdS-TiO2, TiO2/MWCNTs, CdS/MWCNTs and CdS-TiO2/MWCNTs. The toluene removal of CdS-TiO2/MWCNTs was up to 61.8% under visible light irradiation. Research showed that humidity, gas flow rate and initial concentration of tolue

16、ne were important for the photocatalytic activity. When the humidity was 0.4%, toluene removal reaches an optimal value. In addition, the gas residence time significally influenced the photocatalytic property. The photocorrosion degree of CdS-TiO2/MWCNTs was investigated by the characterization of X

17、PS and UV-vis. Compared with pure CdS, CdS-TiO2/MWCNTs nanocomposite could reduce the photocorrosion rate of CdS, though it partly suffered photocorrosion. The products of photocorrosion were SOx species.In situ infrared spectroscopic indicated that there was a strong chemical adsorption between tol

18、uene and CdS-TiO2/MWCNTs. Our research results indicated that benzaldhyde and benzoic acid were identified on the surface of CdS-TiO2/MWCNTs during the photocatalytic process. They were the main intermediates. The deep oxidation of benzoic acid may turn to be the rate-controlling factor of the photo

19、catalytic oxidation of toluene. The accumulation of benzaldhyde and benzoic acid was one of the reasons for the photocatalysts deactivation. The photocatalytic degradation of toluene followed the first-order chemical kinetics equation under our experimental conditions. Compared with CdS-TiO2, the re

20、action rate constant and initial reaction rate were significantly increased during the photocatalytic degradation of toluene over CdS-TiO2/MWCNTs. Keywords: CdS-TiO2/MWCNTs；photocatalysis；toluene；visible light；photocorrosion；in situ FTIR 目 录摘 要 IAbstract III第一章 绪论 11.1 课题背景 11.2 半导体光催化原理 11.3 TiO2光催

21、化剂的可见光化研究 31.3.1 半导体复合 31.3.2 过渡金属离子掺杂 51.3.3 非金属离子掺杂 51.3.4 染料光敏化 61.4 光催化剂的制备方法 71.4.1溶胶-凝胶法 71.4.2 水热法（溶剂热法） 71.4.3 微乳液法 81.4.4 多元醇法 81.5 半导体多相光催化降解有机污染物的影响因素 91.5.1 污染物初始浓度的影响 91.5.2 光照强度的影响 101.5.3 湿度的影响 101.5.4 O2、O3影响 111.5.5气体流量的影响 111.6 碳纳米管作为光催化剂载体的研究 111.6.1碳纳米管的性能 121.6.2碳纳米管的改性研究 131.7

22、CdS的光腐蚀研究 141.8 本课题研究的主要内容和创新点 141.8.1课题研究的主要内容 151.8.2课题研究的创新点 15第二章 CdS-TiO2/MWCNTs光催化剂制备与表征 162.1 实验试剂及仪器 162.1.1 化学试剂和气体 162.1.2 主要实验仪器 172.2 催化剂制备 172.2.1MWCNTs的纯化 182.2.2 CdS的制备 182.2.3 CdS-TiO2/MWCNTs的制备 182.3 催化剂表征 192.3.1 N2吸附-脱附平衡等温线(BET) 192.3.2 X射线衍射(XRD) 202.3.3紫外-可见吸收光谱(UV-vis) 202.3.4

23、 透射电镜(TEM) 202.3.5 X光电子能谱(XPS) 202.3.6 光致发光谱(PL) 202.4 光催化剂表征结果 212.4.1 BET结果分析 212.4.2 XRD结果分析 222.4.3 UV-vis结果分析 222.4.4 TEM结果分析 242.4.5 XPS结果分析 262.4.6 PL结果分析 302.5 小结 31第三章 CdS-TiO2/MWCNTs可见光光催化降解甲苯性能研究 343.1 引言 343.2 光催化剂活性评价装置 343.3 光催化剂活性评价 363.3.1不同光催化剂活性对比 363.3.2 CdS-TiO2/MWCNTs光催化活性的影响因素

24、373.4 CdS的光腐蚀研究 393.5 本章小结 41第四章 原位红外光谱法研究CdS-TiO2/MWCNTs可见光光催化降解气相甲苯 434.1 引言 434.2 实验装置及方法 434.2.1 傅里叶变换红外光谱仪 434.2. 2原位红外光催化反应实验步骤 444.4 甲苯在CdS-TiO2/MWCNTs光催化剂表面吸附过程的红外光谱分析 454.5 CdS-TiO2/MWCNTs光催化降解甲苯的红外光谱分析 474.6 CdS-TiO2光催化降解甲苯的红外光谱分析 484.7动力学分析 504.8 本章小结 52结论与建议 53主要结论 53尚存问题及建议 54参考文献 55攻读硕

25、士学位期间取得的研究成果 66致 谢 67第二章 CdS-TiO2/MWCNTs光催化剂制备与表征2.1 实验试剂及仪器2.1.1 化学试剂和气体实验中使用的主要化学试剂和气体如下表所示：表2-1化学试剂和气体Table 2-1 Chemical reagents and gases名称化学式级别生产厂家钛酸四丁酯C16H36O4Ti化学纯上海凌峰化学试剂有限公司无水乙醇CH3CH2OH分析纯AR广州化学试剂厂/国药集团化学试剂厂硝酸镉Cd(NO3)24H2O分析纯AR天津市科密欧化学试剂有限公司硫化钠Na2S9H2O分析纯AR广州化学试剂厂多壁碳纳米管MWCNTs外径20-40nm深圳碳纳米

26、港有限公司甲苯C7H8分析纯AR天津市科密欧化学试剂开发中心硝酸HNO3分析纯AR广州化学试剂厂去离子水H2O电导率2s/cm自制（超纯水机）高纯氮N299.999广钢集团广州气体厂高纯氢H299.999广钢集团广州气体厂高纯氧O299.995广钢集团广州气体厂干燥空气N2/O299.999广钢集团广州气体厂一氧化碳CO99.999佛山气体厂二氧化碳CO299.999佛山气体厂2.1.2 主要实验仪器实验中使用的主要仪器如下表所示：表2-2主要仪器Table 2-2 Instruments used in the experiment仪器名称型号生产厂家质量流量显示仪D08-4C/ZM北京七星

27、华创电子股份有限公司质量流量控制器D07北京国营建中机器厂温度湿度计CENTER310苏州斯坦福仪器有限公司石英玻璃反应器定做玻璃滤光片100mm100mm江苏省海安县振华光电有限公司荧光灯T5佛山照明有限公司数显恒温水浴锅HH2浙江余姚实验仪器厂超声波清洗器KQ3200DE昆山市超声波仪器有限公司电子天平FA1104上海精密科学仪器有限公司磁力搅拌器85-2金坛市富华仪器有限公司电热恒温干燥箱HN101-1A武汉江宇电炉制造有限公司管式炉SK2-4H成都兴天宇实验仪器有限公司程序升温马弗炉SX2-4-10Q武汉江宇电炉制造有限公司气相色谱仪GC900上海科创色谱仪器有限公司2.2 催化剂制备

28、 本实验采用溶胶-凝胶法制备CdS-TiO2/MWCNTs，CdS-TiO2，TiO2/MWCNTs，CdS/MWCNTs和CdS光催化剂。2.2.1MWCNTs的纯化将MWCNTs和65 wt的HNO3混合,超声波处理3 h后进行水热回流10h，水热温度为90；之后用无水乙醇和去离子水洗涤至中性,于80 下干燥24 h，研磨后备用。2.2.2 CdS的制备称取一定量的Cd(NO3)24H2O和Na2S9H2O分别溶于10ml和20ml无水乙醇，用分液漏斗将Cd(NO3)24H2O乙醇溶液逐滴滴加到Na2S9H2O乙醇中，待滴加完后继续搅拌2h，静置1h，离心分离20min后用蒸馏水洗涤，于8

29、0下干燥12h，研磨备用。2.2.3 CdS-TiO2/MWCNTs的制备将10ml钛酸四丁酯加入到30ml的无水乙醇中，然后再加入一定量经浓硝酸提纯后的MWCNTs，超声10min后搅拌一个小时，得到溶液，将20ml无水乙醇，1ml硝酸和6ml蒸馏水混合后逐滴滴加到中，同时将CdS溶液也逐滴滴加入其中，继续搅拌1-2h,待凝胶后停止搅拌，陈化48h，于80在烘箱中烘干，研磨成粉末后，在N2氛围中，于450下在马弗炉或管式炉中焙烧2h,即可得到CdS-TiO2/MWCNTs。与制备CdS-TiO2/MWCNTs复合光催化剂步骤一致，只是在制备过程不加入碳纳米管即可得到CdS-TiO2。同理可制

30、备TiO2/MWCNTs和CdS/MWCNTs。图2-1 CdS-TiO2/MWCNTs光催化剂制备流程Fig 2-1 The preparation process of CdS-TiO2/MWCNTs2.3 催化剂表征2.3.1 N2吸附-脱附平衡等温线(BET)本实验测试在美国麦克公司生产的ASAP 2020型全自动比表面积及孔隙分析仪上进行，以氮气为分析气体并测定饱和压力，在液氮恒温(温度77K)下通过测定不同吸附压力下的吸附体积，测定前样品先在573 K温度下脱气3 h。通过BET(Barrett-Emmett-Tellter)方程式计算样品比表面，用BJH(Barett-Joyne

31、r-Halanda)等效圆柱模型计算孔径分布及孔容。2.3.2 X射线衍射(XRD)X射线衍射分析采用德国Bruker公司生产的D8 ADVANCE型X射线衍射仪，铜靶，40KV, 40mA,步长0.02度，扫描速度0.02/s，扫描角度范围为1060(2)。根据Scherrer公式：d0.89/(cos)计算出粉末样品中晶粒的平均粒径，其中是该物相中最强衍射峰的半峰高宽，是X射线的波长，为衍射角。2.3.3紫外-可见吸收光谱(UV-vis)本实验采用日本日立有限公司生产的U-3010型紫外-可见分光光度计(积分球法)进行固体紫外可见光谱分析，将固体粉末装在石英器皿中,并在200-800nm波长范围内进行光谱收集。2.3.4 透射电镜(TEM) 本实验采用日本JEM-100CX型透射电