二氧化钛与氮化碳基光催化材料——制备、性能及表征

本书全面系统地阐述了用于环境污染物去除的二氧化钛和氮化碳基半导体光催化材料的制备、性能及表征。首先简单介绍了二氧化钛和氮化碳半导体催化材料的基本性能和表征方法，然后重点介绍了二氧化钛纳米管的制备、二氧化钛和氮化碳复合催化材料、稀土掺杂二氧化钛催化材料、四氧化三铁、氮化碳和二氧化钛复合催化材料、印迹型四氧化三铁、氮化碳和二氧化钛复合催化材料、印迹型碘氧化铋、氮化碳复合催化材料，研究了催化剂对药物及印染废水中有害污染物的催化性能及机理。
本书适合环境工程技术人员，环境尤其是药物污染物降解或相关领域的科研人员阅读参考。

刘蕊，哈尔滨商业大学，副教授。多年环境污染物处理及药物分析研究工作，承担各类课题10余项，包括国家自然科学基金、中国博士后科学基金、中央支持地方高校改革发展基金优秀青年项目、黑龙江省科学基金联合引导项目、黑龙江省博士后资助项目、黑龙江省教育厅创新人才计划项目、哈尔滨市科技局青年创新人才计划项目等；发表学术论文40余篇，被SCI检索26篇，累计影响因子大于100（中科院1 区论文3篇， 2 区论文6 篇），总被引大于100次。出版学术著作1部，获得专利2项。

随着化工、医药、农业等迅速发展，废水尤其是药物废水中有害污染物的种类和数量迅猛增加。传统的生物处理技术难以使含有毒污染物的工业废水达标排放，对环境和人类健康构成了严重的威胁，废水达标处理迫在眉睫。光催化法一方面可以在温和的条件下对环境污染物进行快速有效降解，另一方面还具有绿色无污染、氧化能力强、经济节能、操作简便、可控性强等优点，因此具有优良的催化性能的半导体光催化材料一直是研究与开发的重点。
本书作者自2007年开始从事半导体催化材料制备、表征及光催化降解有机污染物方面的研究，十余年来，课题组在半导体催化材料的制备、结构表征和催化性能等方面进行了深入研究，在国际权威学术刊物上发表了50余篇学术论文，主持国家自然科学基金项目、黑龙江省自然基金项目、中国博士后面上基金及黑龙江省博士后面上基金项目等。本书依托国家自然科学基金项目“磁性分子印迹型g-C3N4 基光催化剂的构建及其靶向降解废水中抗生素的机理研究”(项目批准号：42207266)，系统总结了作者十余年来在二氧化钛及氮化碳基光催化材料领域的研究成果。
全书共分为8章：第1章介绍了半导体材料相关基础及半导体光催化材料的研究进展；第2章介绍了二氧化钛和氮化碳的基础理论及改性方法，并对催化材料结构和性能表征方法进行了简要介绍；第3章介绍了二氧化钛纳米管的制备条件及优化过程；第4章介绍了二氧化钛和氮化碳复合催化材料制备、结构表征及有机污染物催化性能方面的内容；第5章介绍了稀土掺杂二氧化钛和氮化碳复合催化材料制备、结构表征及有机污染物催化性能方面的内容；第6章介绍了四氧化三铁、氮化碳和二氧化钛复合催化材料制备、结构表征及有机污染物催化性能方面的内容；第7章介绍了印迹型四氧化三铁、氮化碳和二氧化钛复合催化材料制备、结构表征及药物污染物催化性能方面的内容；第8章介绍了印迹型碘氧化铋和氮化碳复合催化材料制备、结构表征及药物污染物催化性能方面的内容。本书的完成，离不开多年在实验室工作过的博士研究生和硕士研究生们坚持不懈的努力，在此对他们表示感谢。
本书可以作为研究生教学参考书，也可以作为药学、材料科学、化学工程及环境科学与工程研究人员的科研参考用书。由于著者水平有限，加之时间较为仓促，书中疏漏之处在所难免，恳请广大读者批评指正。

著者
2024年5月

第1章　绪论 001
1.1　半导体材料简介 001
1.2　半导体光催化材料研究进展 003
1.2.1　TiO2 光催化材料 004
1.2.2　g-C3N4 光催化材料 005
1.2.3　CdS 光催化材料 005
1.2.4　Fe2O3 光催化材料 006
1.2.5　聚合物半导体光催化材料 006
参考文献 007

第2章　二氧化钛和氮化碳基光催化半导体材料基础 009
2.1　二氧化钛材料概述 009
2.1.1　二氧化钛的结构和性质 009
2.1.2　二氧化钛纳米管的制备方法 010
2.1.3　二氧化钛的改性方法 013
2.1.4　二氧化钛的光催化应用 017
2.1.5　二氧化钛的光催化反应机理 019
2.1.6　化学理论计算 021
2.2　氮化碳材料概述 022
2.2.1　氮化碳的结构和性质 022
2.2.2　氮化碳的制备方法 025
2.2.3　氮化碳的改性方法 025
2.2.4　氮化碳光催化应用 031
2.2.5　氮化碳光催化反应机理 034
2.3　光催化技术 035
2.4　材料表征 037
2.4.1　扫描电子显微镜      037
2.4.2　透射电子显微镜 039
2.4.3　X 射线衍射 041
2.4.4　傅里叶变换红外光谱 045
2.4.5　X 射线光电子能谱 045
2.4.6　紫外-可见分光光度法 048
2.4.7　比表面积测定 049
2.4.8　光致发光光谱 050
参考文献 050

第3章　二氧化钛纳米管的制备及优化过程 057
3.1　材料制备 057
3.2　制备条件对二氧化钛纳米管阵列的影响 058
3.2.1　搅拌速率的影响 058
3.2.2　煅烧温度的影响 060
3.2.3　F-浓度的影响 062
3.2.4　H3PO4 浓度的影响 063
3.2.5　阳极氧化电压的影响 064
3.2.6　阳极氧化时间的影响 065
3.3　Box-Behnken 实验设计 066
3.3.1　回归模式的选择 067
3.3.2　回归模式的构建 068
3.4　煅烧条件对二氧化钛纳米管阵列的影响 071
3.4.1　晶相的影响 071
3.4.2　光吸收性能的影响 075
3.4.3　电阻的影响 076
3.5　二氧化钛纳米管阵列形成机制 077
3.6　本章小结 081
参考文献 082

第4章　二氧化钛和氮化碳复合催化材料 083
4.1　g-C3N4 /TiO2 纳米管的制备 084
4.2　g-C3N4 /TiO2 复合材料 084
4.2.1　特性分析 084
4.2.2　分子动力学计算 089
4.2.3　催化性能 091
4.3　表面处理g-C3N4 /TiO2 异质结 095
4.3.1　表面处理 g-C3N4 /TiO2 纳米管阵列的制备 096
4.3.2　特性分析 096
4.3.3　催化性能 103
4.4　本章小结 107
参考文献 108

第5章　稀土掺杂二氧化钛催化材料 109
5.1　Sm 掺杂TiO2 纳米管 110
5.1.1　材料制备 110
5.1.2　特性分析 110
5.1.3　光催化降解影响因素分析 120
5.1.4　光催化稳定性分析 123
5.2　Er/g-C3N4 /TiO2 纳米管 124
5.2.1　材料制备 124
5.2.2　特性分析 124
5.2.3　光催化降解影响因素分析 130
5.2.4　光催化稳定性分析 136
5.2.5　光催化机理分析 137
5.3　本章小结 138
参考文献 140

第6章　四氧化三铁、氮化碳和二氧化钛复合催化材料 141
6.1　材料制备 141
6.2　特性分析 142
6.2.1　表面形貌分析 142
6.2.2　物相结构分析 143
6.2.3　官能团分析 144
6.2.4　元素分析 145
6.2.5　光学性能分析 147
6.2.6　磁性能分析 147
6.3　光催化性能分析 148
6.4　本章小结 149
参考文献 149

第7章　印迹型四氧化三铁、氮化碳和二氧化钛复合催化材料 150
7.1　材料制备 150
7.2　特性分析 151
7.2.1　表面形貌分析 151
7.2.2　内部结构分析 152
7.2.3　物相结构分析 153
7.2.4　官能团分析 154
7.2.5　元素分析 155
7.2.6　光学性能分析 157
7.2.7　磁性能分析 158
7.2.8　比表面积分析 159
7.3　光催化性能分析 160
7.3.1　光催化活性测试 160
7.3.2　动力学分析 161
7.3.3　选择性及稳定性分析 163
7.3.4　光催化机理分析 164
7.4　光催化降解影响因素分析 166
7.4.1　不同初始浓度 166
7.4.2　不同初始pH 值 167
7.4.3　不同催化剂投加量 168
7.5　本章小结 169
参考文献 170

第8章　印迹型碘氧化铋、氮化碳复合催化材料 171
8.1　材料制备 171
8.2　特性分析 172
8.2.1　表面形貌分析 172
8.2.2　物相结构分析 173
8.2.3　官能团分析 174
8.2.4　元素分析 175
8.3　光催化性能分析 177
8.3.1　光催化活性测试 177
8.3.2　选择性吸附测试 177
8.3.3　吸附动力学 179
8.3.4　稳定性实验 179
8.3.5　光催化机理分析 180
8.4　本章小结 182
参考文献 183