致谢 21

参考文献 22

1绪论

1.1 引言

现代化工农业的发展，全球范围的能源危机和环境污染问题日益严重，半导体光催化材料因为可以利用光能有效解决能源和环境污染问题，而受到材料工作者广泛的关注。在去除环境污染中不同种类的半导体材料被广泛地应用，如金属氧化物、硫化物以及磷酸盐等等[1]。

目前，有存在很多能够去除水体中目标污染物的方法，其中催化氧化法、吸附法、生物法和膜分离法是去除水体中目标污染物的主要方法。而在这四种方法中，光催化氧化技术是一种新型环境环保技术，具有很多优点。例如，反应条件温和、催化剂来源广、目标污染物降解彻底和无二次污染等。纳米二氧化钛的开发推动了光催化技术的发展，其晶粒尺寸处于纳米级，这赋予其一系列特异的物理化学性能，因此纳米二氧化钛具有小尺寸效应、比表面积大、催化活性高等优点。但是在实际应用过程中，纳米二氧化钛由于粒子过小和表面能高等因素而容易聚集成团，大大降低了催化剂的比表面积，导致光催化效果达不到预期效果。除此之外，纳米二氧化钛粒子大多都悬浮在反应体系中，导致催化剂回收困难严重时会造成二次污染。而活性炭对多种有机化合物的吸附能力较强，可用于水处理等行业，不仅节约能源而且可实现废物资源化，具有较大的实用价值和应用前景。本试验将纳米TiO2与吸附性载体活性炭复合，二者协同作用，不仅大大提高了纳米粒子的分散性，增大与目标污染物的接触面积，同时也实现了纳米粒子的固定化，提高了光催化效率[2]。

1.2 二氧化钛和炭的历史背景

1.2.1 二氧化钛的历史背景

随着环境污染问题日益严重，光催化技术作为处理水污染的新途径已经成为化学和材料科学的研究热门。半导体光催化材料因为可以利用光能有效解决能源和环境污染问题，而受到材料工作者广泛的关注。二氧化钛因为具有较高的光催化活性、良好的耐腐蚀性、对环境友好、耐光腐蚀，更重要的是成本低廉，使得TiO2成为迄今为止研究和应用最为广泛的光催化剂。它作为光催化剂对农药、染料、医药废水、造纸废水、化工废水等进行处理,都能有效地进行脱色、降解、去毒、矿化为无机小分子[3]。

1.2.2 炭的历史背景

随着科学技术的发展，对炭的使用形式也变得多种多样，主要应用于各方面的生态环保。目前，正是因为炭具有高比表面积和孔容积，具有较强的吸附能力，可以作为很好的

负载材料，所以能够解决二氧化钛催化剂回收困难甚至造成二次污染的问题，因为其与TiO2结合存在吸附-催化协同效应，可以提高光催化材料的光催化效果。

炭分为木炭、焦炭、活性炭、炭黑四种。本实验只要研究的是活性炭作为吸附性活性载体与二氧化钛的复合的问题。

活性炭的特性：竹炭是竹材在高温缺氧条件下热解得到的一种多孔性材料，制备成本低，具有吸附能力强，发达的孔结构和巨大的比表面积等特点，是良好的纳米粒子载体；活性炭具有高比表面积和孔容积，具有较强的吸附能力等特点，可以作为很好的负载材料，其与TiO2结合会产生吸附-催化协同效应，可以提高光催化材料的光催化性能。活性炭的加入可以提高材料的分散性，使得粒子变小，粒径分布更均匀，同时活性炭表面含有大量的含氧官能团，如-COOH，-CO-，-OH等。

1.3 二氧化钛的结构与特性

1.3.1 二氧化钛的结构

二氧化钛为粉末状的多晶型化合物，有板钛型、锐钛型金红石型。

图1.1 二氧化钛的晶体结构（a: 锐钛型; b: 金红石型）