基于二氧化钛的可见光光催化选择氧化体系的研究

作     者：王宁宁 

作者单位：华中师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：原弘

授予年度：2019年

学科分类：081704[工学-应用化学] 081705[工学-工业催化] 07[理学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0703[理学-化学] 

主      题：二氧化钛光催化 可见光 5(6)-羧基荧光素 硫化镉 选择性氧化 

摘      要：异相光催化体系中,二氧化钛(TiO2)光催化剂的研究受到广泛关注,其应用涉及到包括太阳能电池、新能源开发、污染物处理、有机物转化等多个领域。但是,由于TiO2较宽的带隙宽度使其只能吸收紫外光,限制了其进一步发展和应用。因此,采取有效的措施构建基于TiO2的可见光光催化体系,成为目前研究的一大热点。我们采用两种不同的策略构建了 TiO2可见光光催化体系,利用氧气作氧化剂,实现了醇和胺两类有机物的选择性氧化。具体研究思路和研究内容如下:1、采用染料敏化的策略,实现了绿光LED灯照射下醇类有机物到相应产物的转化。将5(6)-羧基荧光素[5(6)-FAM]与锐钛矿TiO2结合得到染料敏化TiO2光催化剂5(6)-FAM-TiO2,4-甲氧基-四甲基哌啶氧自由基(CH3O-TEMPO)为助催化剂,氧气分子为氧化剂,构建了异相光催化体系。在该新型体系中,5(6)-FAM-TiO2和助催化剂CH3O-TEMPO共同发挥作用。其中,染料5(6)-FAM作为敏化剂,实现可见光的吸收,TiO2扮演着电子转移枢纽、反应发生平台的双重角色,而CH3O-TEMPO作为电子转移媒介,促进反应高效进行。研究发现,催化氧化苯甲醇的反应机理如下:染料吸收可见光被激发后失去电子变为染料自由基正离子,失去的电子转移到TiO2的导带,被氧分子捕获生成超氧自由基离子。与此同时,CH3O-TEMPO失去电子转化为CH3O-TEMPO+,驱动染料自由基正离子回到染料分子,完成染料的循环过程,而CH3O-TEMPO+会将体系中的苯甲醇氧化,自身转化为CH3O-TEMPOH,继而与超氧负离子作用回到CH3O-TEMPO,完成循环过程。2、采用两种半导体复合的方法,在可见光下驱动苄胺高转化率高选择性氧化。将过渡金属硫化物CdS与锐钛矿TiO2复合得到CdS-TiO2光催化剂,以空气中氧气为氧化剂,构建可见光响应的光催化体系。在该体系中,CdS吸收可见光,产生光生电子和空穴,CdS的导带电子转移到TiO2的导带上,被体系中的O2分子捕获生成O2·-,参与胺类到亚胺的转化。与此同时,底物苄胺首先被CdS的价带空穴氧化,再与O2·-作用,生成最终的产物。CdS与TiO2协同作用,CdS发挥着捕获自然光的重要作用,TiO2扮演着电子转移枢纽与反应平台的双重角色,促进光生电子空穴的分离,提高苄胺转化速率。该光催化体系对伯胺具有很好的普适性。并且重复利用性良好,可多次循环使用。总之,分别采用染料敏化、半导体复合的策略,构建了两个不同的可见光响应的TiO2光催化体系,在温和条件下,以O2为氧化剂,实现了醇类和胺类有机物的高效、高选择性氧化。构建的新型光催化体系为TiO2光催化剂的应用提供思路和借鉴意义。