论文摘要
随着工业化和城镇化进程的加快,环境问题和能源危机日益严重。由于氢能具有清洁高效、能量密度高、导热性好等特点必将成为人类未来能源发展的一个主要方向。利用太阳能为驱动,光催化剂为光电极来降解有机污染物制取氢,将光能、电能进行有机结合,实现了光能和电能到化学能（氢能）的转换,不但解决了严重的环境污染问题而且也为缓解能源危机提供有效途径。作为该技术的关键,研制出具有光转化效率高的光电催化材料是重要的研究方向。本文利用电化学阳极氧化法成功制备出二氧化钛纳米管（TNT）并对其进行改性。探索了制备的主要影响因素对二氧化钛纳米管结构特征及其光电催化活性的影响。探索二氧化钛纳米管阵列光电催化产氢性能的影响因素、掺杂改性及其光电催化降解有机污染物同时产氢的应用,并在此基础上对其光电催化降解有机污染物同时产氢的机理进行了初步探索,为开发高效能的二氧化钛纳米管阵列及其复合光催化剂提供了技术支持。主要结果如下：1.在相同的氧化时间条件下,随着氧化电压（20V、30V、45V、60V）的升高,二氧化钛纳米管的管长、孔径、长径比、粗糙系数、生长速率逐渐增大,管壁厚度逐渐降低。在相同的氧化电压下,随着氧化时间（3h、4h、5h、6h）的延长,二氧化钛纳米管的管长、长径比和粗糙系数逐渐增大,孔径和壁厚基本不变。总之,氧化电压对二氧化钛纳米管阵列的形貌结构特征起着决定性影响,尤其是对其长径比。在氧化电压为60V,氧化时间为6h的条件下制备的二氧化钛纳米管具有最佳的长径比结构特征,其长径比为178,表现出优异的光电催化降解有机污染物同时产氢的性能,其光电流密度和光电催化降解甲基橙的动力学常数分别达到最大,其值分别为48×10-3mA/cm2和2.26×10-3min-1;在外加偏压为0.45V时表现出的最大光电流密度约为0.05mA/cm2。二氧化钛纳米管阵列经450℃煅烧后,其表现出锐钛矿和金红石的混合相；XPS测试表明,其含有一定量的C、N元素,成功实现了C、N元素的原位掺杂。2.利用两步电化学氧化法制备的二氧化钛纳米管表现出较高的长径比和较薄的管壁厚度,其值分别为104.83和16.36nm,相比于一步阳极氧化制备的二氧化钛纳米管表现出更高的光电催化性能。一步阳极氧化和两步阳极氧化合成的二氧化钛纳米管的光电流密度和及其光-氢转化效率分别为0.2mA/cm2和0.4mA/cm2、0.14%和0.36%。当加入乙二醇作为有机电子供体时,一步阳极氧化和两步阳极氧化合成的二氧化钛纳米管的瞬时光电流密度分别为0.022mA/cm2和0.026mA/cm2。3.以氧化电压分别为20V、30V、45V,氧化时间为1h的条件下制备二氧化钛纳米管为基体,利用电化学沉积法制备了ZnFe2O4/TiO2纳米管复合光电极,在氧化电压45V、氧化时间1h条件下制备的二氧化钛纳米管表现出最大光-氢转化效率为0.1%,而在氧化电压30V、氧化时间1h条件下制备的二氧化钛纳米管复合光电极znFe2O4/TiO2表现出的最大光-氢转化效率为0.18%。4.以氧化电压45V、氧化时间5h制备的二氧化钛纳米管为基体,利用提拉-浸渍法合成的Pt/TiO2纳米管复合电极,其光-氢转化效率是YiO2纳米管的2.1倍。甲基橙光电催化降解实验表明,Pt/TNT的光电催化降解速率为TNT的2.7倍,且具有较好的的机械强度和化学稳定性,是一种极具应用潜力的环境友好材料。5.采用三电极体系,在外加偏压为0.45V时,分别以0.1mol/L的KOH、 Na2SO4、Na2CO3溶液为支持电解质溶液,以0.5mol/L的乙二醇为目标污染物时,以KOH为电解质溶液的光电流密度最大；在pH值分别为2、6.8、10的条件下,以pH值为6.8时光电流最大。光电流密度随着乙二醇浓度的增大而增大。草酸作为目标污染物时的光电流密度最大。
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摘要Abstract目录第一章 绪论第一节 前言第二节 太阳能制氢概述1.2.1 太阳能生物制氢1.2.2 光生物质制氢1.2.3 二氧化钛光催化分解水产氢1.2.4 二氧化钛纳米管光电催化产氢1.2.5 具有复合结构的二氧化钛纳米管光电催化产氢1.2.6 改性二氧化钛纳米管光电催化产氢1.2.7 二氧化钛纳米管光电催化产氢的优化第三节 光电催化技术研究进展1.3.1 光转化效率高的催化剂的研制1.3.2 氧化钽及钽酸盐光催化剂1.3.3 主族金属氧化物光催化剂1.3.4 金属硫化物光催化剂第四节 光电催化降解有机物耦合制氢原理第五节 二氧化钛纳米管的制备第六节 外加偏压在光催化反应中的作用第七节 本文研究目的和内容第二章 实验材料和方法第一节 实验设备与材料第二节 实验试剂第三节 材料结构、组成及形貌表征2.3.1 X-射线衍射2.3.2 扫描电子显微镜2.3.3 X-射线光电子能谱2.3.4 紫外可见漫反射吸收光谱2.3.5 透射电镜第四节 光电化学性质测试2.4.1 光电化学系统2.4.2 线性扫描伏安法2.4.3 瞬时光电流的测试2.4.4 光-电（氢）转化效率第五节 二氧化钛纳米管的制备方法2.5.1 钛板的预处理2.5.2 钛板的阳极氧化2.5.3 二氧化钛纳米管的两步阳极氧化制备方法2.5.4 复合二氧化钛纳米管的制备方法2O4/TiO2纳米管电极的制备'>2.5.4.1 ZnFe2O4/TiO2纳米管电极的制备2纳米管电极的制备'>2.5.4.2 Pt/TiO2纳米管电极的制备第三章 二氧化钛纳米管的光电催化性能第一节 二氧化钛纳米管的表征3.1.1 TNT的SEM表征3.1.2 TNT的XRD表征3.1.3 X-射线光电子能谱分析第二节 二氧化钛纳米管的光电化学性质测试3.2.1 氧化时间对二氧化钱纳米管光电流的影响3.2.2 氧化电压对二氧化钛纳米管光电流的影响3.2.3 不同条件制备的二氧化钛纳米管在不同偏压下的光电流3.2.4 不同条件制备的二氧化钛纳米管的光电催化降解性能3.2.5 二氧化铁纳米管在不同外加偏压下的光电化学性能3.2.6 二氧化钛纳米管的结构特征与光电催化性能之间的关系第三节 影响二氧化钛纳米管光电催化产氢因素3.3.1 引言3.3.2 光电催化产氢影响因素第四节 本章小结2纳米管光电催化产氢性能'>第四章 两步阳极氧化法制备TiO2纳米管光电催化产氢性能第一节 引言第二节 二氧化钛纳米管电极的表征4.2.1 二氧化钛纳米管电极的形貌结构表征4.2.2 二氧化钛纳米管的晶体结构性质测试第三节 二氧化钛纳米管的光电催化产氢性能第四节 本章小结2O4/TiO2纳米管的制备及其光电催化产氢性能'>第五章 ZnFe2O4/TiO2纳米管的制备及其光电催化产氢性能第一节 引言2O4/TiO2纳米管电极的形貌结构表征'>第二节 ZnFe2O4/TiO2纳米管电极的形貌结构表征2O4/TiO2纳米管电极的SEM'>5.2.1 ZnFe2O4/TiO2纳米管电极的SEM2O4/TiO2纳米管电极的XRD'>5.2.2 ZnFe2O4/TiO2纳米管电极的XRD2O4/TiO2纳米管电极的光电化学产氢性能'>第三节 ZnFe2O4/TiO2纳米管电极的光电化学产氢性能第四节 本章小结2纳米管光电化学性质及光电催化产氢性能'>第六章 Pt/TiO2纳米管光电化学性质及光电催化产氢性能第一节 引言2纳米管的表征'>第二节 Pt/TiO2纳米管的表征6.2.1 SEM形貌表征6.2.2 X-射线多晶衍射（XRD）分析6.2.3 X-射线光电子能谱（XPS）分析6.2.4 UV-vis DRS分析2纳米管的光电化学性质测试'>第三节 Pt/TiO2纳米管的光电化学性质测试2纳米管的光电催化性能'>第四节 Pt/TiO2纳米管的光电催化性能纳米管的电荷分布和降解机理'>第五节 Pt/Ti02纳米管的电荷分布和降解机理第六节 本章小结第七章 结论与建议第一节 结论第二节 建议第三节 主要创新点参考文献致谢个人简历攻读博士学位期间发表的论文及研究成果
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