论文总字数：30423字

摘 要

光催化降解即利用光催化剂在光的照射下催化分解有机污染物，是一种新型环保技术，具有高效节能无污染的优点，因此在解决环境污染问题上表现出巨大的研究价值和应用潜能。在所有的无机半导体中，TiO₂具有一系列优异的光学和电学性能，是可以用作光催化材料的半导体中稳定性和催化活性综合最好的。但是，TiO₂带隙较宽，以致不能有效利用太阳光能，而且光生载流子（电子、空穴）不能有效分离，复合概率极高。这两个缺陷使TiO₂光催化剂对有机污染物的光催化氧化活性受限。

一种提高光催化剂催化性能的方法是利用有机共轭小分子对TiO₂进行改性。有机共轭小分子具有特殊的π共轭结构，是良好的电子/空穴传输材料，可以促进光生载流子的分离，在TiO₂光催化剂的改性上有很大的潜力。因此本论文将以TiO₂光催化剂为研究对象，深入探究其在污染物降解方面的研究应用，并以有机共轭小分子表面改性TiO₂为主要方向，设计相关实验方案。本论文将从以下几个方面展开：

（1）论述TiO₂的晶体结构及物化性质，探究TiO₂光催化降解污染物的原理，简要介绍TiO₂光催化剂改性方法，重点阐述有机共轭小分子修饰TiO₂的研究进展。

（2）分析刘芹芹副教授等关于草酰胺改性TiO₂光催化剂的研究成果，对其实验方案和实验结果做出简要评价，并据此总结该类课题的研究思路。

（3）选定有机共轭小分子苯并噻吩-2-羧酸，设计通过溶胶-凝胶法制备TiO₂，利用化学吸附法制备有机小分子-TiO₂复合材料的实验方案。以亚甲基蓝(MB)为模型污染物设计光降解实验的技术路线，模拟光照条件降解MB染料，分析可能出现的实验结果，最后对实验方案进行可行性分析。

关键词：二氧化钛；光催化剂；有机共轭小分子；表面改性；污染物降解

Abstract

Semiconductor photocatalytic technology has shown great research potential in pollutant treatment. Among all the inorganic oxides, Titanium dioxide is a well-known semiconductor due to its distinguished optoelectronic and electrical properties. However, due to the wide band gap of the TiO₂, its light response range is limited to the ultraviolet region. On the other hand, photogenerated carriers (electrons, holes) produced by light-irradiated semiconductors are easily compounded, resulting in reduced photocatalytic degradation activity. For overcoming the above two difficulties, researchers have performed a series of modifications to TiO₂ photocatalysts to improve their catalytic activity.

A new modification method is to use organic conjugated materials to modify TiO₂. The conjugated materials have similar band structure to semiconductors and have great optoelectronic properties. The organic conjugated molecules with delocalized π-conjugated structures can result in fast photogenerated charge separation and diminished recombination rate. So the organic conjugated molecules have great potential in TiO₂ photocatalyst modification. Therefore, this paper will deeply explore the research application of TiO₂ photocatalyst in pollutant degradation. Besides, based on organic conjugated molecule surface modification, design preparation scheme of benzothiophene-2-carboxylicacid-TiO₂ hybrid material. This article will start from the following aspects:

(1) The crystal structure and properties of TiO₂ were discussed, the mechanism of TiO₂ photocatalytic degradation of pollutants was explored, and the modification methods of TiO₂ photocatalyst were briefly introduced.

(2) Professor Tang et al. modified TiO₂ with oxalamide as organic cocatalyst. By analyzing the work on TiO₂ photocatalyst modified by oxalamide, summarize the research ideas of this kind of subject.

(3) Select benzothiophene-2-carboxylicacid as the organic conjugated small molecule. Prepare titanium dioxide nanoparticles by sol-gel method. Composites modified by organic small molecules are synthesized by chemical adsorption. And the methylene blue (MB) was used to detect the performance of photocatalytic dye degradation.

Key Words：TiO₂；photocatalysts；organic conjugated molecules；surface modification；pollutant degradation.

目　录

摘　要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 光催化研究现状 2

1.3 研究目的及意义 3

1.4 研究内容 4

第2章 二氧化钛光催化剂综述 5

2.1 二氧化钛结构及性能 5

2.2 TiO₂光催化原理 6

2.2.1 半导体能带理论 6

2.2.2 TiO₂光催化反应过程 6

2.3 TiO₂光催化剂改性方法 7

2.3.1 无机材料改性 8

2.3.2 碳材料改性 8

2.3.3 有机材料改性 9

2.4 有机共轭小分子表面改性TiO₂光催化剂 9

2.4.1 有机共轭小分子改性机理 9

2.4.2 有机共轭小分子改性TiO₂研究进展 10

2.5 本章小结 11

第3章 草酰胺-二氧化钛复合光催化剂的制备及性能研究 12

3.1 TiO₂-OA复合材料的制备 12

3.2 测试表征 12

3.2.1 特性表征 12

3.2.2 光催化活性测试 12

3.3 结果分析 13

3.3.1 材料测试结果分析 13

3.3.2 光降解染料结果分析 17

3.3.3 草酰胺-TiO₂复合光催化剂降解机理 18

3.4 本章小结 18

第4章 苯并噻吩-2-羧酸/TiO₂复合材料制备及表征实验方案 19

4.1 实验原理 19

4.1.1 苯并噻吩-2-羧酸 19

4.1.2 溶胶-凝胶法 19

4.1.3 化学吸附法 20

4.2 苯并噻吩-2-羧酸/TiO₂复合光催化剂的合成 20

4.2.1 TiO₂纳米材料制备方案 20

4.2.2 TiO₂-BC复合光催化材料合成方案 20

4.3 材料测试与表征 21

4.3.1 扫描电子显微镜(SEM) 21

4.3.2 红外吸收光谱(IR) 21

4.3.3 紫外-可见吸收光谱(UV-vis) 21

4.4 光催化降解活性检测 21

4.5 可能的实验结果分析 22

4.6 可行性分析 22

4.6.1 可操作性分析 22

4.6.2 技术方案可行性分析 23

4.6.3 实验条件可行性分析 23

4.6.4 潜在问题及应对措施 23

4.7 本章小结 24

第5章 结论与展望 25

5.1 论文总结 25

5.2 问题与挑战 25

5.3 研究展望 26

参考文献 27

致谢 29

绪论

课题背景

自20世纪以来，全球工业发展态势迅猛，虽然人类的生活得以更加便捷，但社会进步的同时由此产生的环境污染和资源短缺问题也愈演愈烈，人类正在经受着过度开发所带来的反噬。其中，化学污染对水资源的破坏尤为严重。在工农业生产以及人们生活中会排放出大量的废水、废渣，这些废物中常含有大量的化学物质，会对生态环境和自然水体造成很大程度的破坏。近年来，有研究人员在工业废水、地表水、地下水中发现了多氯联苯、多环芳烃、杂环类等多类有毒且难降解的有机污染物，极大地威胁着人类的生命安全。进入21世纪后，各个国家都意识到要走出“先污染，后治理”的困境，环境保护与经济发展并重的可持续发展理念成为新世纪的热门议题。另外，由于一次能源的不可再生性和污染性，世界范围内的能源转型迫在眉睫，从煤炭、石油等不可再生能源到氢能、风能、太阳能等清洁的二次能源的过渡与转变，是目前全球工业发展的主流趋势。而太阳能作为可再生能源的主力军，具有储量丰富、清洁无害、取用方便等优点，近年来发展迅猛，尤其在光电领域取得了瞩目的成就。光催化技术就是在这样的背景下发展起来的。

光催化指的是半导体材料经由太阳光照射后对特定波段的光产生响应，并将光能转变成化学能的过程，因此光催化反应在本质上与一般的催化反应无异。从研究目的出发，光催化的研究可以从合成和降解两个方向分类。光催化合成是模拟生物体的光合作用，通过吸收光能进行反应并转化合成所需物质，主要包括光催化分解H₂O制氢和光催化还原CO₂。光催化降解是指利用光催化反应分解、消除环境污染物，如重金属离子、有机染料等，相关应用有空气净化和污水处理。

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