摘要
光催化是一种绿色且具有前景的高级氧化工艺，其主要原理是材料吸收一定波长范围的光产生电子-空穴对，而后电子-空穴对分离，分别与溶液中的物质发生反应，从而达到催化的目的。目前，光催化已被广泛地应用于染料降解、氮气固定、二氧化碳还原等方面。然而，光催化存在一些缺点，例如无光条件下无法响应、吸收光的波长范围窄等。因此，需要寻找一种新的催化方式。除了光能，自然界中还广泛存在振动能。压电效应可以把振动能转化为电能，理论上也可以实现压电催化这一新的催化方式。压电催化通常要求材料具有比较高的比表面积，所以一般选用纳米材料作为压电催化剂。在使用超声振动作为激励源时，为了使压电催化剂颗粒产生弯曲振动，往往优先选用压电纳米纤维材料作为催化剂。钛酸钡作为一种传统的压电材料，其不含铅对环境友好，同时具有较高的压电系数(~45pC/N)，可以作为一种理想的催化剂实现压电催化。目前，钛酸钡陶瓷的制备报道较多，而纳米钛酸钡，尤其是一维纳米纤维的报道较少。所以本论文拟研究钛酸钡纳米纤维的制备及其压电催化性能，同时探究其在印染废水降解以及从环境中固氮等方面的应用。 在本工作中，两步水热法合成钛酸钡(BaTiO3)纳米纤维并用于压电催化染料废水降解和氮气固定。主要结论如下： 1、钛酸钡纳米纤维压电催化染料降解 研究了高频超声振动下压电催化染料降解性能。在暗环境下，施加超声振动40min后，RhB染料降解率达到~97.84%。其物理机制是在超声振动作用下，催化剂产生形变，由于铁电材料的压电效应，表面会产生大量的正负电荷，而后正负电荷与溶液中的物质反应，最终达到染料降解的目的。通过活性物质捕获实验，得出在反应过程中的主要活性物质为·OH和·O2-。同时对催化剂进行三次重复回收再利用实验，发现其压电催化染料降解能力没有明显变化，这表明钛酸钡纳米纤维压电催化剂具有良好的可重复利用稳定性。 研究了低频振动下压电催化染料降解性能。在暗环境下，以800rpm的低频机械搅拌20h后，BaTiO3对RhB染料降解率达到~99.55%。多个对照实验表明，催化剂所受到的力的大小对压电催化染料降解性能有极大的影响。研究发现，可以通过增加转速、搅拌棒长度和个数等方法来增强压电催化染料降解性能。通过活性物质捕获实验，得出在反应过程中的主要活性物质为·O2-。经过三次重复利用实验，发现其压电催化染料降解能力没有明显变化，表明该催化剂拥有良好的可重复利用稳定性。 染料废水具有色度高、成分复杂、有机物含量高、降解难等特点，已经成为废水处理领域一个公认的国际难题。钛酸钡纳米纤维优异的压电催化染料降解性能为工业废水处理方面提供了一种新的解决思路。 2、钛酸钡纳米纤维压电催化氮气固定 研究了高频超声振动下压电催化氮气固定性能。在暗环境下，以甲醇作为正电荷捕获剂，经过超声振动5h，氮气固定反应主要产物之一NH4+被检测到，其产生速率为~219.4μmol·L-1·g-1·h-1。相比较没有添加捕获剂的对照组而言，其NH4+产生速率提高了5.74倍。经过三次的重复利用实验，该催化剂表现出良好的可重复利用稳定性。 研究了低频振动下压电催化氮气固定性能。在暗环境下，以甲醇作为正电荷捕获剂，在1000rpm的转速下低频机械搅拌10h后，NH4+产生速率为~215.1μmol·L-1·g-1·h-1，是未添加捕获剂的对照组的1.66倍。研究也发现，通过增加搅拌棒个数和H+浓度可以进一步提高压电催化氮气固定性能。通过对搅拌棒的参数进行优化，在20mm的搅拌棒的长度和1400rpm的转速条件下，钛酸钡纳米纤维压电催化固氮产生NH4+反应具有最优的速率。对催化剂重复回收再利用五次，发现其压电催化固氮性能几乎没有变化，这表明钛酸钡纳米纤维压电催化剂具有良好的可重复利用稳定性。 空气中78%是氮气。压电催化将空气中廉价且易获得的氮气转化为重要的化工原料氨(NH3)。钛酸钡纳米纤维优异的压电催化固氮性能为工业合成氨提供了一种新的解决方法。
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