非金属元素掺杂及分子印迹聚合物修饰TiO2纳米管阵列电极光电催化性能研究

论文摘要

纳米TiO2是光降解有机物的催化剂中性质好、光催化活性高、研究最广泛深入的一种半导体。阳极氧化法制备的TiO2纳米管阵列具有比表面积大、光吸收效率高、与钛基体结合牢固等优点,表现出比TiO2纳米膜更高的光催化性能和光电转化效率。因此,通过对TiO2纳米管阵列进行合理的改性和修饰而进一步提高其光催化活性,为TiO2纳米管阵列能够被实际推广使用具有重要意义。非会属元素掺杂是改善TiO2光催化活性的一种有效方法。光电催化氧化方法可阻止光生电子和空穴发生简单复合,能够有效提高TiO2纳米管的光催化反应效率。为此,制备了氮掺杂和硼掺杂TiO2纳米管阵列电极,并对材料进行了系统表征和光电催化性能的研究。另外,增强TiO2纳米管对目标物的吸附是提高光电催化效果的关键。分子印迹聚合物对特定的目标分子具有特异选择性。所以,在TiO2纳米管阵列电极上修饰一薄层分子印迹聚合物,以期改善TiO2吸附污染物的能力,提高光电催化活性。本论文围绕以上内容,主要开展了以下几个方面的工作:（1）应用加热法在氮气气氛中焙烧阳极氧化TiO2纳米管制备了氮掺杂TiO2纳米管电极。电极为致密的阵列结构,平均孔径为80 nm,平均管长为250 nm。X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）和紫外-可见漫反射光谱（DRS）分析显示,500℃和600℃制得的电极的氮掺杂量分别为0.6 at.%和0.9 at.%;在500℃制备的氮掺杂电极为锐钛矿相,600℃制备的电极为锐钛矿相和金红石相混合晶相;氮掺杂提高了TiO2纳米管对可见光的吸收。可见光照下,反应6小时,两种氮掺杂TiO2纳米管电极对五氯酚的光电催化降解率均比相同温度下焙烧的TiO2电极提高了28%左右,并且五氯酚的光催化和电化学作用间存在显著的协同作用。对氮掺杂TiO2纳米管电极具有可见光活性的机理进行了简要探讨。（2）以阳极氧化TiO2纳米管阵列为基底,应用化学气相沉积法制备了硼掺杂TiO2纳米管电极。通过扫描电镜（SEM）、XPS、XRD和DRS对电极进行表征,显示高度有序的纳米管阵列沿垂直钛基体方向生长,平均管长为800 nm,纳米管管壁呈齿纹状;硼原子掺杂到TiO2晶格中,形成Ti-B-O键;XRD谱图中观察到锐钛矿相的（101）晶面和金红石相的（110）晶面的衍射峰,同时TiO2纳米管的平均粒径增大了10 nm;DRS谱图表明TiO2纳米管在紫外区的吸收强度也明显增强,并且吸收边带红移了20 nm。光电化学性能测试中,硼掺杂TiO2纳米管电极的紫外和可见光电流密度均明显高于TiO2纳米管电极,并且紫外光转化效率达到31.5%。光电催化实验表明,硼掺杂电极对五氯酚的紫外和可见光电催化降解速率的提升幅度高于对降解率的提升幅度。此外,应用电化学方法制备了不同硼掺杂量的TiO2纳米管阵列电极。该方法能够一步完成纳米管形成和硼掺杂,简化了制备过程,降低了实验成本。SEM结果显示纳米管底部氧化层的厚度为30nm,氟硼化钠加到阳极氧化电解液中不会影响TiO2纳米管阵列的形貌。XPS、XRD和DRS分析表明,硼原子在低硼掺杂量（1.5 at.%）样品中以Ti-B-O态存在,而在较高硼掺杂量（3.1 at.%和3.8 at.%）样品中硼的化学环境与B2O3相似;硼掺杂电极的晶相以锐钛矿相为主,混合少量金红石相;不同含量的硼掺杂均使TiO2纳米管的吸收延伸至可见光区,同时提高了在紫外光区的吸收,当硼掺杂量为3.1 at.%时,对提高TiO2纳米管的可见和紫外光吸收贡献最大。在相同实验条件下,三种硼掺杂电极的光电流密度和对阿特拉津的光电催化降解效率均高于TiO2纳米管电极,其中硼掺杂量为3.1at.%的电极效果最好。（3）以TiO2纳米管阵列为基底,采用自由基聚合的方法合成四环素分子印迹聚合物（MIP）,制备了MIP修饰的TiO2纳米管电极。电极表面仍然为紧密的纳米孔状结构,平均管径为50 nm。DRS分析表明,MIP的修饰提高了TiO2纳米管电极的可见光吸收。吸附实验中,MIP修饰的TiO2纳米管电极对四环素的最大吸附量为34.88 ng,是TiO2纳米管电极的1.5倍。在模拟太阳光照下,电极迅速产生光响应,光电流密度随外加偏压的增加而依次增大。由于MIP具有特异的选择吸附性能,因此MIP修饰的TiO2电极对四环素的光电催化降解能力和矿化能力优于TiO2电极。另外,无分子印迹的聚合物选择性差,厚的分子印迹聚合物对光的衰减程度更深,因而都不利于光电催化反应的讲行。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 国内外相关领域研究进展
• 2光电催化技术的研究背景及进展'>1.1 TiO₂光电催化技术的研究背景及进展
• 2的结构特征'>1.1.1 TiO₂的结构特征
• 2光电催化技术的研究背景'>1.1.2 TiO₂光电催化技术的研究背景
• 2光电催化技术的发展'>1.1.3 TiO₂光电催化技术的发展
• 2光电催化反应进程及机理'>1.1.4 TiO₂光电催化反应进程及机理
• 2纳米管'>1.2 TiO₂纳米管
• 2光催化剂特性'>1.2.1 纳米TiO₂光催化剂特性
• 2纳米管的制备'>1.2.2 TiO₂纳米管的制备
• 2纳米管的应用'>1.2.3 TiO₂纳米管的应用
• 1.2.4 有待解决的问题
• 2可见光活性的研究现状'>1.3 提高纳米TiO₂可见光活性的研究现状
• 1.3.1 贵金属沉积
• 1.3.2 半导体复合
• 1.3.3 金属离子掺杂
• 1.3.4 表面光敏化
• 1.3.5 非金属元素掺杂
• 1.4 分子印迹技术
• 1.4.1 引言
• 1.4.2 分子印迹的基本原理
• 1.4.3 分子印迹技术的分类
• 1.4.4 分子印迹聚合物的制备方法
• 1.4.5 分子印迹聚合物的应用
• 1.5 选题依据、目的、意义和研究内容
• 1.5.1 选题依据
• 1.5.2 研究目的和意义
• 1.5.3 研究内容
• 2纳米管阵列电极的制备、表征及光电催化活性'>2 氮掺杂TiO₂纳米管阵列电极的制备、表征及光电催化活性
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验试剂与材料
• 2.2.2 实验仪器
• 2纳米管阵列电极的制备'>2.2.3 氮掺杂TiO₂纳米管阵列电极的制备
• 2.2.4 样品表征分析
• 2纳米管阵列电极光电催化降解五氯酚实验'>2.2.5 氮掺杂TiO₂纳米管阵列电极光电催化降解五氯酚实验
• 2.3 结果与讨论
• 2纳米管阵列电极的SEM分析'>2.3.1 氮掺杂TiO₂纳米管阵列电极的SEM分析
• 2纳米管阵列电极的XRD分析'>2.3.2 氮掺杂TiO₂纳米管阵列电极的XRD分析
• 2纳米管阵列电极的XPS分析'>2.3.3 氮掺杂TiO₂纳米管阵列电极的XPS分析
• 2纳米管阵列电极的DRS分析'>2.3.4 氮掺杂TiO₂纳米管阵列电极的DRS分析
• 2纳米管阵列电极光电催化降解五氯酚'>2.3.5 氮掺杂TiO₂纳米管阵列电极光电催化降解五氯酚
• 2纳米管阵列电极具有可见光活性的机理探讨'>2.3.6 氮掺杂TiO₂纳米管阵列电极具有可见光活性的机理探讨
• 2.4 小结
• 2纳米管阵列电极的表征及光电催化活性'>3 CVD法制备硼掺杂TiO₂纳米管阵列电极的表征及光电催化活性
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验试剂与材料
• 3.2.2 实验仪器
• 2纳米管阵列电极的制备'>3.2.3 硼掺杂TiO₂纳米管阵列电极的制备
• 3.2.4 样品表征分析
• 2纳米管阵列电极光电化学性能测试'>3.2.5 硼掺杂TiO₂纳米管阵列电极光电化学性能测试
• 2纳米管阵列电极光电催化降解五氯酚'>3.2.6 硼掺杂TiO₂纳米管阵列电极光电催化降解五氯酚
• 3.3 结果与讨论
• 2纳米管阵列电极的SEM分析'>3.3.1 硼掺杂TiO₂纳米管阵列电极的SEM分析
• 2纳米管阵列电极的XPS分析'>3.3.2 硼掺杂TiO₂纳米管阵列电极的XPS分析
• 2纳米管阵列电极的XRD分析'>3.3.3 硼掺杂TiO₂纳米管阵列电极的XRD分析
• 2纳米管阵列的DRS分析'>3.3.4 硼掺杂TiO₂纳米管阵列的DRS分析
• 2纳米管阵列电极光电化学性能'>3.3.5 硼掺杂TiO₂纳米管阵列电极光电化学性能
• 2纳米管电极光电催化降解五氯酚'>3.3.6 硼掺杂TiO₂纳米管电极光电催化降解五氯酚
• 3.4 小结
• 2纳米管阵列电极的表征及光电催化活性'>4 电化学法制备硼掺杂TiO₂纳米管阵列电极的表征及光电催化活性
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验试剂与材料
• 4.2.2 实验仪器
• 2纳米管阵列电极的制备'>4.2.3 硼掺杂TiO₂纳米管阵列电极的制备
• 4.2.4 样品表征分析
• 2纳米管阵列电极光电化学性能测试'>4.2.5 硼掺杂TiO₂纳米管阵列电极光电化学性能测试
• 2纳米管阵列电极光电催化实验'>4.2.6 硼掺杂TiO₂纳米管阵列电极光电催化实验
• 4.3 结果与讨论
• 2纳米管阵列电极的SEM分析'>4.3.1 硼掺杂TiO₂纳米管阵列电极的SEM分析
• 2纳米管阵列电极的XPS分析'>4.3.2 硼掺杂TiO₂纳米管阵列电极的XPS分析
• 2纳米管阵列晶相的影响'>4.3.3 硼掺杂对TiO₂纳米管阵列晶相的影响
• 2纳米管阵列电极的DRS分析'>4.3.4 硼掺杂TiO₂纳米管阵列电极的DRS分析
• 2纳米管阵列电极光电化学测试'>4.3.5 硼掺杂TiO₂纳米管阵列电极光电化学测试
• 2纳米管阵列电极光电催化降解阿特拉津'>4.3.6 硼掺杂TiO₂纳米管阵列电极光电催化降解阿特拉津
• 4.3.7 自由基捕获剂对·OH氧化降解阿特拉津的影响
• 4.4 小结
• 2纳米管阵列电极的制备、表征及光电催化活性'>5 MIP修饰的TiO₂纳米管阵列电极的制备、表征及光电催化活性
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验试剂与材料
• 5.2.2 实验仪器
• 2纳米管阵列电极的制备'>5.2.3 MIP修饰的TiO₂纳米管阵列电极的制备
• 5.2.4 样品表征分析
• 2纳米管阵列电极的吸附实验'>5.2.5 MIP修饰的TiO₂纳米管阵列电极的吸附实验
• 2纳米管阵列电极光电化学测试'>5.2.6 MIP修饰的TiO₂纳米管阵列电极光电化学测试
• 2纳米管阵列电极光电催化实验'>5.2.7 MIP修饰的TiO₂纳米管阵列电极光电催化实验
• 5.3 结果与讨论
• 2纳米管阵列电极的AFM分析'>5.3.1 MIP修饰的TiO₂纳米管阵列电极的AFM分析
• 2纳米管阵列电极的SEM分析'>5.3.2 MIP修饰的TiO₂纳米管阵列电极的SEM分析
• 2纳米管阵列电极的XRD分析'>5.3.3 MIP修饰的TiO₂纳米管阵列电极的XRD分析
• 2纳米管阵列电极的DRS分析'>5.3.4 MIP修饰的TiO₂纳米管阵列电极的DRS分析
• 2纳米管阵列电极吸附性能'>5.3.5 MIP修饰的TiO₂纳米管阵列电极吸附性能
• 2纳米管阵列电极光电化学性能'>5.3.6 MIP修饰的TiO₂纳米管阵列电极光电化学性能
• 2纳米管阵列电极可见光电催化活性'>5.3.7 MIP修饰的TiO₂纳米管阵列电极可见光电催化活性
• 5.4 小结
• 6 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 个人简历