二氧化鈦與氮化碳基光催化材料——制備、性能及表征

本書全面系統(tǒng)地闡述了用于環(huán)境污染物去除的二氧化鈦和氮化碳基半導體光催化材料的制備、性能及表征。首先簡單介紹了二氧化鈦和氮化碳半導體催化材料的基本性能和表征方法，然后重點介紹了二氧化鈦納米管的制備、二氧化鈦和氮化碳復合催化材料、稀土摻雜二氧化鈦催化材料、四氧化三鐵、氮化碳和二氧化鈦復合催化材料、印跡型四氧化三鐵、氮化碳和二氧化鈦復合催化材料、印跡型碘氧化鉍、氮化碳復合催化材料，研究了催化劑對藥物及印染廢水中有害污染物的催化性能及機理。
本書適合環(huán)境工程技術人員，環(huán)境尤其是藥物污染物降解或相關領域的科研人員閱讀參考。

劉蕊，哈爾濱商業(yè)大學，副教授。多年環(huán)境污染物處理及藥物分析研究工作，承擔各類課題10余項，包括國家自然科學基金、中國博士后科學基金、中央支持地方高校改革發(fā)展基金優(yōu)秀青年項目、黑龍江省科學基金聯(lián)合引導項目、黑龍江省博士后資助項目、黑龍江省教育廳創(chuàng)新人才計劃項目、哈爾濱市科技局青年創(chuàng)新人才計劃項目等；發(fā)表學術論文40余篇，被SCI檢索26篇，累計影響因子大于100（中科院1 區(qū)論文3篇， 2 區(qū)論文6 篇），總被引大于100次。出版學術著作1部，獲得專利2項。

隨著化工、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等迅速發(fā)展，廢水尤其是藥物廢水中有害污染物的種類和數(shù)量迅猛增加。傳統(tǒng)的生物處理技術難以使含有毒污染物的工業(yè)廢水達標排放，對環(huán)境和人類健康構成了嚴重的威脅，廢水達標處理迫在眉睫。光催化法一方面可以在溫和的條件下對環(huán)境污染物進行快速有效降解，另一方面還具有綠色無污染、氧化能力強、經(jīng)濟節(jié)能、操作簡便、可控性強等優(yōu)點，因此具有優(yōu)良的催化性能的半導體光催化材料一直是研究與開發(fā)的重點。
本書作者自2007年開始從事半導體催化材料制備、表征及光催化降解有機污染物方面的研究，十余年來，課題組在半導體催化材料的制備、結構表征和催化性能等方面進行了深入研究，在國際權威學術刊物上發(fā)表了50余篇學術論文，主持國家自然科學基金項目、黑龍江省自然基金項目、中國博士后面上基金及黑龍江省博士后面上基金項目等。本書依托國家自然科學基金項目“磁性分子印跡型g-C3N4 基光催化劑的構建及其靶向降解廢水中抗生素的機理研究”(項目批準號：42207266)，系統(tǒng)總結了作者十余年來在二氧化鈦及氮化碳基光催化材料領域的研究成果。
全書共分為8章：第1章介紹了半導體材料相關基礎及半導體光催化材料的研究進展；第2章介紹了二氧化鈦和氮化碳的基礎理論及改性方法，并對催化材料結構和性能表征方法進行了簡要介紹；第3章介紹了二氧化鈦納米管的制備條件及優(yōu)化過程；第4章介紹了二氧化鈦和氮化碳復合催化材料制備、結構表征及有機污染物催化性能方面的內(nèi)容；第5章介紹了稀土摻雜二氧化鈦和氮化碳復合催化材料制備、結構表征及有機污染物催化性能方面的內(nèi)容；第6章介紹了四氧化三鐵、氮化碳和二氧化鈦復合催化材料制備、結構表征及有機污染物催化性能方面的內(nèi)容；第7章介紹了印跡型四氧化三鐵、氮化碳和二氧化鈦復合催化材料制備、結構表征及藥物污染物催化性能方面的內(nèi)容；第8章介紹了印跡型碘氧化鉍和氮化碳復合催化材料制備、結構表征及藥物污染物催化性能方面的內(nèi)容。本書的完成，離不開多年在實驗室工作過的博士研究生和碩士研究生們堅持不懈的努力，在此對他們表示感謝。
本書可以作為研究生教學參考書，也可以作為藥學、材料科學、化學工程及環(huán)境科學與工程研究人員的科研參考用書。由于著者水平有限，加之時間較為倉促，書中疏漏之處在所難免，懇請廣大讀者批評指正。

著者
2024年5月

第1章　緒論 001
1.1　半導體材料簡介 001
1.2　半導體光催化材料研究進展 003
1.2.1　TiO2 光催化材料 004
1.2.2　g-C3N4 光催化材料 005
1.2.3　CdS 光催化材料 005
1.2.4　Fe2O3 光催化材料 006
1.2.5　聚合物半導體光催化材料 006
參考文獻 007

第2章　二氧化鈦和氮化碳基光催化半導體材料基礎 009
2.1　二氧化鈦材料概述 009
2.1.1　二氧化鈦的結構和性質(zhì) 009
2.1.2　二氧化鈦納米管的制備方法 010
2.1.3　二氧化鈦的改性方法 013
2.1.4　二氧化鈦的光催化應用 017
2.1.5　二氧化鈦的光催化反應機理 019
2.1.6　化學理論計算 021
2.2　氮化碳材料概述 022
2.2.1　氮化碳的結構和性質(zhì) 022
2.2.2　氮化碳的制備方法 025
2.2.3　氮化碳的改性方法 025
2.2.4　氮化碳光催化應用 031
2.2.5　氮化碳光催化反應機理 034
2.3　光催化技術 035
2.4　材料表征 037
2.4.1　掃描電子顯微鏡      037
2.4.2　透射電子顯微鏡 039
2.4.3　X 射線衍射 041
2.4.4　傅里葉變換紅外光譜 045
2.4.5　X 射線光電子能譜 045
2.4.6　紫外-可見分光光度法 048
2.4.7　比表面積測定 049
2.4.8　光致發(fā)光光譜 050
參考文獻 050

第3章　二氧化鈦納米管的制備及優(yōu)化過程 057
3.1　材料制備 057
3.2　制備條件對二氧化鈦納米管陣列的影響 058
3.2.1　攪拌速率的影響 058
3.2.2　煅燒溫度的影響 060
3.2.3　F-濃度的影響 062
3.2.4　H3PO4 濃度的影響 063
3.2.5　陽極氧化電壓的影響 064
3.2.6　陽極氧化時間的影響 065
3.3　Box-Behnken 實驗設計 066
3.3.1　回歸模式的選擇 067
3.3.2　回歸模式的構建 068
3.4　煅燒條件對二氧化鈦納米管陣列的影響 071
3.4.1　晶相的影響 071
3.4.2　光吸收性能的影響 075
3.4.3　電阻的影響 076
3.5　二氧化鈦納米管陣列形成機制 077
3.6　本章小結 081
參考文獻 082

第4章　二氧化鈦和氮化碳復合催化材料 083
4.1　g-C3N4 /TiO2 納米管的制備 084
4.2　g-C3N4 /TiO2 復合材料 084
4.2.1　特性分析 084
4.2.2　分子動力學計算 089
4.2.3　催化性能 091
4.3　表面處理g-C3N4 /TiO2 異質(zhì)結 095
4.3.1　表面處理 g-C3N4 /TiO2 納米管陣列的制備 096
4.3.2　特性分析 096
4.3.3　催化性能 103
4.4　本章小結 107
參考文獻 108

第5章　稀土摻雜二氧化鈦催化材料 109
5.1　Sm 摻雜TiO2 納米管 110
5.1.1　材料制備 110
5.1.2　特性分析 110
5.1.3　光催化降解影響因素分析 120
5.1.4　光催化穩(wěn)定性分析 123
5.2　Er/g-C3N4 /TiO2 納米管 124
5.2.1　材料制備 124
5.2.2　特性分析 124
5.2.3　光催化降解影響因素分析 130
5.2.4　光催化穩(wěn)定性分析 136
5.2.5　光催化機理分析 137
5.3　本章小結 138
參考文獻 140

第6章　四氧化三鐵、氮化碳和二氧化鈦復合催化材料 141
6.1　材料制備 141
6.2　特性分析 142
6.2.1　表面形貌分析 142
6.2.2　物相結構分析 143
6.2.3　官能團分析 144
6.2.4　元素分析 145
6.2.5　光學性能分析 147
6.2.6　磁性能分析 147
6.3　光催化性能分析 148
6.4　本章小結 149
參考文獻 149

第7章　印跡型四氧化三鐵、氮化碳和二氧化鈦復合催化材料 150
7.1　材料制備 150
7.2　特性分析 151
7.2.1　表面形貌分析 151
7.2.2　內(nèi)部結構分析 152
7.2.3　物相結構分析 153
7.2.4　官能團分析 154
7.2.5　元素分析 155
7.2.6　光學性能分析 157
7.2.7　磁性能分析 158
7.2.8　比表面積分析 159
7.3　光催化性能分析 160
7.3.1　光催化活性測試 160
7.3.2　動力學分析 161
7.3.3　選擇性及穩(wěn)定性分析 163
7.3.4　光催化機理分析 164
7.4　光催化降解影響因素分析 166
7.4.1　不同初始濃度 166
7.4.2　不同初始pH 值 167
7.4.3　不同催化劑投加量 168
7.5　本章小結 169
參考文獻 170

第8章　印跡型碘氧化鉍、氮化碳復合催化材料 171
8.1　材料制備 171
8.2　特性分析 172
8.2.1　表面形貌分析 172
8.2.2　物相結構分析 173
8.2.3　官能團分析 174
8.2.4　元素分析 175
8.3　光催化性能分析 177
8.3.1　光催化活性測試 177
8.3.2　選擇性吸附測試 177
8.3.3　吸附動力學 179
8.3.4　穩(wěn)定性實驗 179
8.3.5　光催化機理分析 180
8.4　本章小結 182
參考文獻 183