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二氧化鈦顏料光化學及催化性能研究

二氧化鈦(TiO2)作為一種白色顏料,由於其白度,高折射率,無毒,耐候性好廣泛應用於塗料、造紙、橡膠、化妝品和塑料中。二氧化鈦作為一種重要金屬氧化物,具有很好的光化學活性如紫外吸收和光催化性能,同時具有酸催化性能受到了廣泛關注。本論文主要研究內容如下:

(1)在水相體系中,分別通過紫外可見光譜儀和過氧化氫光降解,建立了二氧化鈦顏料在紫外光區域內的紫外屏蔽性能評價方法。該方法可以直觀地和有效地表徵工業二氧化鈦顏料紫外屏蔽性能,同時具有簡單快捷,重現性好等優點。

(2)以2,4-TDC為分子探針,研究了金紅石型二氧化鈦顏料紫外屏蔽性能及光化學性能。根據2,4-TDC的光降解速率常數,能體現一系列工業金紅石二氧化鈦顏料紫外屏蔽性能差異。紫外光照下表面包覆的金紅石二氧化鈦顏料不能完全抑制羥基自由基(·OH)和光生空穴(h+)活性物種的產生。採用UV-Vis,FT-IR,PL等手段對二氧化鈦顏料進行了表徵。光降解實驗表明,金紅石型二氧化鈦顏料抑制2,4-TDC的降解,相反,銳鈦礦型二氧化鈦顏料促進2,4-TDC的降解。根據已鑑定的降解中間產物及理論計算結果,提出了2,4-TDC的可能的降解機制包括羥基自由基的加成和側鏈上氨基甲酸酯鍵的斷裂兩條路徑。該2,4-TDC為分子探針的研究思路,可能為其他複合材料體系中有機聚合物光化學特性及耐候性等方面的高效考察或表徵提供借鑑,促進材料化學與應用技術的發展。

二氧化鈦顏料.jpg

(3)以甲基橙為典型的染料模型分子,考察了工業級金紅石型和銳鈦礦型銳二氧化鈦顏料的光催化活性,並進一步探討了甲基橙濃度,催化劑濃度,溶液初始pH,以及常見陽離子如Fe2+,Cu2+,Mg2+,Mn2+,Zn2+和Na+對甲基橙光降解的影響,同時分析了活性物種對甲基橙光降解的貢獻。實驗結果表明,甲基橙的光降解遵循Langmuir-Hinshelwood模型,Fe2+,Cu2+,Mg2+,Mn2+和Zn2+的存在不利於甲基橙的降解,而一定濃度的Na+能促進甲基橙的降解。包括h+,·OH和過氧自由基(O2?-)在內的多種活性物種參與甲基橙的降解。

(4)以環氧苯乙烷異構化為探針反應,探討了金紅石二氧化鈦顏料表面酸催化性能。以環己烷為溶劑,採用液相吡啶吸附法測定了二氧化鈦顏料酸量,同時考察了催化劑用量和反應溶劑對環氧苯乙烷異構化的影響,分析了二氧化鈦顏料催化環氧苯乙烷異構化機理。實驗結果表明,金紅石型二氧化鈦顏料是一種能有效催化環氧苯乙烷合成苯乙醛的固體酸催化劑。80℃在環己烷反應體系中,環氧苯乙烷的轉化率可達34.1%。二氧化鈦表面上的羥基和Ti4+存在是催化異構化反應的關鍵。


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