M（Ca，Sr，Ba）TiO3的合成、CaTiO3的改性及光催化性能研究

作     者：严欣 

作者单位：湖南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴振军

授予年度：2014年

学科分类：081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：光催化 钙钛矿 钛酸钙 共沉淀法 棒状结构 Zr掺杂 

摘      要：由于具有独特的结构和优异的催化性能，钙钛矿型催化剂可以在保持晶体结构不变的前提下，对其进行掺杂改性来提高其催化性能，因此，对钙钛矿型复合氧化物进行改性增强其光催化性能已经成为研究的热点。本论文选用能隙值较大的钛酸钙作为光催化剂，致力于通过控制形貌以及对其进行离子掺杂改性来减小带宽提高其催化性能，探索了制备性能优越的催化剂的最佳实验条件以及光反应过程中的各个影响因素对性能的影响。利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、热分析（TG-DSC）、紫外可见漫反射光谱（DRS）、紫外可见分光光度仪和电化学工作站等手段对所制备的材料的形貌、结构、光电化学性能及催化性能进行了表征和检测。主要内容如下： （1）采用共沉淀法合成了CaTiO3、SrTiO3和BaTiO3三种催化剂，对三种催化剂光催化降解甲基橙的性能进行了比较，结果表明:在模拟太阳光的照射下，CaTiO3具有最好的催化性能。本实验继续探讨了合成性能最好的CaTiO3的最佳煅烧温度和煅烧时间，并对所合成的CaTiO3的电化学性能和抑制光腐蚀性能进行了研究。结果表明:在700℃下煅烧5h能得到结晶良好、催化性能较好的CaTiO3光催化剂，当催化剂的浓度为0.1g·dm3时，光照80min后，对10mg·dm3的甲基橙的降解率达到90.36%，但其光电流密度随着光照时间的延长而逐渐衰减，随着催化反应次数的增加，其催化性能迅速减弱，反应后的催化剂有少部分分解为TiO2。 （2）采用模板法，在前一章的煅烧条件下合成了棒状结构的CaTiO3，棒状结构的能隙值比颗粒状的CaTiO3有所减小。实验探讨了催化剂的投入量以及甲基橙的初始浓度对降解率的影响。在催化性能、光电流测试以及抑制光腐蚀性能的测试中，棒状结构的CaTiO3表现出了优越的性能：当催化剂浓度为0.3g·dm3时，光照40min后，对10mg·dm3的甲基橙的降解率达到99.03%;棒状结构的CaTiO3光电流密度大小是颗粒状的两倍，随着光照时间的延长，电流密度仍能保持稳定;在重复性试验中，随着重复次数的增加，棒状结构的CaTiO3催化性能衰减的比较缓慢，说明棒状结构催化剂的抗腐蚀性能增强。在催化反应过程中，棒状结构的CaTiO3的形貌由棒状变成立方体结构，但晶体没有被分解，而是转化成CaTi4O9。 （3）采用共沉淀法合成了CaZrxTi1-xO3(x=0.00，0.02，0.05，0.08)，探讨了煅烧温度、升温速率以及Zr的掺杂量对催化剂性能的影响。结果表明，以3℃/min的升温速率升至850℃煅烧3h的样品的结晶性良好，且具有优异的催化活性。当Zr的掺杂量为0.05时，光电流密度为未掺杂的CaTiO3的13倍，光照30min后，对甲基橙的降解率为91.44%，是CaTiO3的2.5倍。但CaZr0.05Ti0.95O3的抑制光腐蚀性能较差，随着重复次数增加，光催化降解甲基橙的性能迅速降低，反应后的催化剂仍然有较好的结晶性，但衍射峰向大角度方向发生微小的偏移，说明晶格中的Zr从晶体内部逃逸到表面，形成电子空穴的复合中心，导致催化性能的降低。