二氧化鈦及其在光催化領(lǐng)域中的應(yīng)用

二氧化鈦及鈣鈦礦型光催化材料，在光催化凈水領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，并在相關(guān)領(lǐng)域展現(xiàn)出足夠的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。本書在全面介紹二氧化鈦及鈣鈦礦型光催化材料的基礎(chǔ)上，著重對(duì)納米二氧化鈦、鈣鈦礦型光催化材料在光催化還原Cr6+單一體系、光催化處理Cr6+-乙酸復(fù)合體系、光催化處理Cr6+-檸檬酸復(fù)合體系、光催化處理Cr6+-檸檬酸-硝酸鐵復(fù)合體系的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，闡述了相關(guān)材料結(jié)構(gòu)和組成對(duì)于其光催化性能的影響，并結(jié)合相關(guān)的表征手段，對(duì)于相關(guān)的光催化性能進(jìn)行了分析和比較。
本書適宜從事光催化材料以及材料、物理、能源等相關(guān)專業(yè)的科研人員參考。

雷雪飛，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，任職于東北大學(xué)秦皇島分校資源與材料學(xué)院。主講本科生課程“冶金物理化學(xué)”“鋼鐵冶金原理”“爐外精煉”及研究生課程“材料熱力學(xué)”等。近年來主要從事二次資源綜合利用與環(huán)境保護(hù)、有色金屬資源的分離提取與循環(huán)利用以及光催化凈水材料的制備與應(yīng)用等方面的研究工作。主持了3項(xiàng)河北省自然科學(xué)基金、4項(xiàng)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)、參與了多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金子課題。以第一作者在本領(lǐng)域權(quán)威期刊Journal of Alloys and Compounds、Applied Surface Science、Separation and Purification Technology、Transactions of Nonferrous Metals Society of China、《中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)》等發(fā)表論文20余篇，申請(qǐng)相關(guān)發(fā)明專利10余項(xiàng)。

光催化劑在石化和涂料等行業(yè)內(nèi)應(yīng)用廣泛，發(fā)揮著不可替代的作用。本書結(jié)合作者多年的科研經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)介紹了二氧化鈦，尤其是納米二氧化鈦光催化劑的顆粒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、改性、表征、性能以及應(yīng)用體系等，技術(shù)先進(jìn)，對(duì)于相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)具有指導(dǎo)價(jià)值。

光催化是催化化學(xué)、光電化學(xué)、半導(dǎo)體物理、材料科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等多學(xué)科交叉的新興研究領(lǐng)域。環(huán)境和能源是21世紀(jì)人類必須面臨和亟待解決的重大問題，光催化以其室溫深度反應(yīng)和可直接利用太陽(yáng)能作為能源來驅(qū)動(dòng)反應(yīng)等獨(dú)特性能，而成為一種理想的環(huán)境污染治理技術(shù)和潔凈能源生產(chǎn)技術(shù)。材料、信息技術(shù)和生物技術(shù)是21世紀(jì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱，光催化材料作為一類重要的功能材料，具有廣闊的應(yīng)用前景。由于TiO2光催化活性高、化學(xué)穩(wěn)定性好、價(jià)廉無毒、壽命長(zhǎng)、可重復(fù)利用而被公認(rèn)為是最具應(yīng)用前景的光催化劑。但TiO2較寬的能隙（3.2eV）決定了其只能吸收紫外光波（僅占太陽(yáng)光6%左右）。長(zhǎng)期以來，在提高TiO2對(duì)太陽(yáng)能的利用率方面沒有取得巨大突破，因此人們?nèi)栽趯ふ倚碌母咝Ч獯呋瘎?。同時(shí)，鈣鈦礦是地球上最多的礦物，由于其全范圍的電氣性能，人們很早就開始了鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的人造晶體的合成以及對(duì)其在鐵電、壓電、超導(dǎo)等性能方面的研究與應(yīng)用，另外，在氣敏材料、汽車尾氣凈化、催化有機(jī)合成、光催化處理廢水等方面，鈣鈦礦型復(fù)合氧化物也表現(xiàn)出了良好的性能。目前存在的主要問題是研究者制備的鈣鈦礦型氧化物多是用化學(xué)試劑在較嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)條件下完成的，生產(chǎn)量小、制備成本較高、易燒結(jié)、穩(wěn)定性不夠好，很難在實(shí)際廢水處理中應(yīng)用。因此，雖然光催化劑的研究已經(jīng)有幾十年的歷史，合成技術(shù)研究也已形成較多的成果，但把光催化劑應(yīng)用于工業(yè)化規(guī)模，尚存在技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的問題。
為了推動(dòng)我國(guó)的光催化材料的發(fā)展，幫助高校、企業(yè)院所的研發(fā)，我們編著了《二氧化鈦及其在光催化領(lǐng)域中的應(yīng)用》一書。全書包括七章，主要敘述了納米二氧化鈦、鈣鈦礦型光催化材料的制備方法、結(jié)構(gòu)，光催化性能的調(diào)控以及其在光催化還原Cr6+單一體系、光催化處理Cr6+-乙酸復(fù)合體系、光催化處理Cr6+-檸檬酸復(fù)合體系、光催化處理Cr6+-檸檬酸-硝酸鐵復(fù)合體系的應(yīng)用。著者已有十多年從事相關(guān)方向的教學(xué)、科研以及技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的豐富經(jīng)驗(yàn)，有光催化材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能調(diào)控的大量實(shí)踐經(jīng)歷，根據(jù)自身的體會(huì)以及參考了大量國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，進(jìn)行了本書的編寫。第1章由羅紹華（東北大學(xué)）、陳歡歡（東北大學(xué)）和雷雪飛（東北大學(xué)）編寫，第2～7章由雷雪飛編寫，全書由雷雪飛統(tǒng)一修改定稿。本書的研究工作和編寫得到了河北自然科學(xué)基金（E2022501030）、河北省自然科學(xué)基金—基礎(chǔ)研究專項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目（E2021501029）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（2023GFZD03和N2223009）、東北大學(xué)秦皇島分校河北省電介質(zhì)與電解質(zhì)功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室績(jī)效補(bǔ)助經(jīng)費(fèi)（22567627H）和河北省電介質(zhì)與電解質(zhì)功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行經(jīng)費(fèi)（14460109）的資助，同時(shí)對(duì)給予本書啟示和參考的文獻(xiàn)作者予以感謝。
光催化材料的涉及面廣，又處于蓬勃發(fā)展之中，著者水平有限，書中不妥之處，敬請(qǐng)專家和讀者批評(píng)指正。

雷雪飛
2023年9月

第1章緒論1
1.1概述3
1.2二氧化鈦的性質(zhì)與合成4
1.2.1氣相法4
1.2.2液相法5
1.2.3固相法7
1.3TiO2光催化機(jī)理7
1.4提高TiO2光催化性能的途徑8
1.4.1改進(jìn)TiO2催化劑的制備技術(shù)9
1.4.2TiO2催化劑表面的螯合和衍生作用10
1.4.3離子摻雜改性處理TiO2催化劑10
1.4.4TiO2復(fù)合半導(dǎo)體12
1.4.5有機(jī)染料光敏化處理TiO2催化劑13
1.5復(fù)合光催化體系在提高TiO2光催化性能中的應(yīng)用14
1.5.1光催化與氧化劑組合14
1.5.2光催化與空穴清除劑組合15
1.5.3光催化與電化學(xué)組合15
1.5.4光催化與超聲技術(shù)組合16
1.5.5光催化與微波加熱技術(shù)組合16
1.5.6光催化與生物技術(shù)組合17
1.5.7光催化與磁化技術(shù)組合18
1.6鈣鈦礦型光催化劑的制備及應(yīng)用研究進(jìn)展18
1.6.1鈣鈦礦型光催化劑結(jié)構(gòu)19
1.6.2鈣鈦礦型光催化劑的制備方法20
1.6.3鈣鈦礦型光催化劑的應(yīng)用研究21
1.7光催化技術(shù)發(fā)展方向及存在問題23

第2章二氧化鈦光催化活性的研究25
2.1概述27
2.2工藝流程27
2.3XRD結(jié)果分析29
2.3.1pH對(duì)XRD的影響29
2.3.2反應(yīng)時(shí)間對(duì)XRD的影響32
2.4UV-Vis漫反射光譜分析33
2.4.1不同pH樣品的紫外-可見光漫反射吸收光譜33
2.4.2不同反應(yīng)時(shí)間樣品的紫外-可見光漫反射吸收光譜34
2.5光致發(fā)光光譜（PL）分析35
2.6掃描電鏡（SEM）分析36
2.7比表面積及孔徑分布（BET）分析37
2.8可見光催化劑還原Cr6+的分析39
2.8.1pH對(duì)紫外光催化還原Cr6+的影響39
2.8.2反應(yīng)時(shí)間對(duì)可見光下光催化還原Cr6+的影響41
2.9正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)42

第3章STBBFS3005吸附性能的研究47
3.1概述49
3.2STBBFSx-5的合成與表征49
3.2.1STBBFSx-5光催化劑的晶相結(jié)構(gòu)與形貌50
3.2.2STBBFSx-5光催化劑的光吸收特性53
3.2.3STBBFSx-5光催化劑的TG分析54
3.3熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析55
3.3.1pH值對(duì)STBBFS300-5吸附Cr6+的影響55
3.3.2Cr6+初始濃度對(duì)STBBFS300-5吸附Cr6+的影響57
3.3.3吸附劑投加量對(duì)STBBFS300-5吸附Cr6+的影響58
3.3.4吸附溫度對(duì)STBBFS300-5吸附Cr6+的影響58
3.3.5吸附等溫線59
3.3.6表觀吸附動(dòng)力學(xué)模型61
3.3.7吸附熱力學(xué)模型63
3.3.8吸附機(jī)理探討64

第4章光催化還原Cr6+單一體系的研究69
4.1概述71
4.2光源對(duì)STBBFS300-5光催化還原Cr6+的影響71
4.3光強(qiáng)對(duì)STBBFS300-5光催化還原Cr6+的影響72
4.4pH值對(duì)STBBFS300-5光催化還原Cr6+的影響73
4.5酸介質(zhì)對(duì)STBBFS300-5光催化還原Cr6+的影響76
4.6催化劑投加量對(duì)STBBFS300-5光催化還原Cr6+的影響79
4.7Cr6+初始濃度對(duì)STBBFS300-5光催化還原Cr6+的影響80
4.8循環(huán)流量對(duì)STBBFS300-5光催化還原Cr6+的影響81
4.9STBBFS300-5的使用壽命和分離性能82
4.10Cr6+單一體系正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)83
4.11表觀動(dòng)力學(xué)分析85
4.12光催化機(jī)理探討86

第5章光催化處理Cr6+-乙酸復(fù)合體系的研究91
5.1概述93
5.2AA/Cr6+體積比對(duì)Cr6+光催化還原效率的影響93
5.3Cr6+初始濃度對(duì)Cr6+-AA復(fù)合體系中Cr6+光催化還原效率的影響95
5.4pH值對(duì)Cr6+-AA復(fù)合體系中Cr6+光催化還原效率的影響96
5.5Cr6+-AA復(fù)合體系正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)99
5.6協(xié)同效應(yīng)對(duì)Cr6+-AA復(fù)合體系中Cr6+光催化還原效率的影響101
5.7Cr6+-AA復(fù)合體系中表觀動(dòng)力學(xué)分析104
5.8Cr6+-AA復(fù)合體系中光催化機(jī)理探討105

第6章光催化處理Cr6+-檸檬酸復(fù)合體系研究111
6.1概述113
6.2Cr6+-CA復(fù)合體系中影響因素及光催化機(jī)理113
6.2.1CA/Cr6+摩爾比對(duì)Cr6+光催化還原效率的影響113
6.2.2Cr6+初始濃度對(duì)Cr6+-CA復(fù)合體系中Cr6+光催化還原效率的影響114
6.2.3pH值對(duì)Cr6+-CA復(fù)合體系中Cr6+光催化還原效率的影響116
6.2.4協(xié)同效應(yīng)對(duì)Cr6+-CA復(fù)合體系中Cr6+光催化還原效率的影響119
6.2.5Cr6+-CA復(fù)合體系中表觀動(dòng)力學(xué)分析121
6.2.6Cr6+-CA復(fù)合體系中光催化機(jī)理探討121
6.2.7對(duì)比不同復(fù)合體系對(duì)Cr6+光催化還原效率的影響123

第7章光催化處理Cr6+-檸檬酸-硝酸鐵復(fù)合體系的研究127
7.1概述129
7.2Cr6+-CA-FN復(fù)合體系中影響因素及光催化機(jī)理129
7.2.1Fe3+與Cr6+/CA摩爾比對(duì)Cr6+光催化還原效率的影響129
7.2.2Cr6+初始濃度對(duì)Cr6+-CA-FN復(fù)合體系中Cr6+光催化還原效率的影響130
7.2.3pH值對(duì)Cr6+-CA-FN復(fù)合體系中Cr6+光催化還原效率的影響131
7.2.4協(xié)同效應(yīng)對(duì)Cr6+-CA-FN復(fù)合體系中Cr6+光催化還原效率的影響134
7.2.5Cr6+-CA-FN復(fù)合體系中表觀動(dòng)力學(xué)分析135
7.2.6Cr6+-CA-FN復(fù)合體系中光催化機(jī)理探討136

參考文獻(xiàn)140