TiO2纳米管阵列的表面改性及其光电催化降解亚甲基蓝的研究

论文摘要

高比表面积和特殊结构所衍生的突出物理化学特性使TiO2纳米管薄膜在光催化、气敏、光解水和光伏等应用领域具备极大的应用潜力，因此制备性能优异的TiO2纳米管薄膜并发掘其应用潜力正成为一个研究热点。本论文采用原位阳极氧化法在Ti基底上制备了高度有序的TiO2纳米管阵列，并采用反相微乳液电沉积法在TiO2纳米管阵列上沉积金属得到了Au/TiO2、Pd/TiO2、Cu/TiO2和Sn/TiO2复合纳米管。研究了TiO2纳米管的微观结构及其光电化学性能，评价了TiO2纳米管在光电协同作用下的催化性能。SEM图像表明，TiO2纳米管顶部开口，定向排列整齐，分布均匀，其管径范围在70～100nm。XRD结果证明，阳极氧化法制备的TiO2纳米管为无定形，经退火后TiO2纳米管为具有良好光催化活性的锐钛矿型。研究了原位阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列分别在O2、空气、Ar和H2气氛热处理气氛中的光电催化性能。结果表明，分别在O2、空气、Ar和H2中热处理后得到的锐钛矿晶型的纳米管阵列对MB的降解反应满足一级反应，其速率常数分别为4.967，3.127，1.989和1.625h1（0.5V）。电化学阻抗分析表明，TiO2纳米管光电催化性能受控于光生电荷的传递特性。在O2中热处理后，TiO2纳米管的光吸收及激发性能得到改善，且电荷传递阻抗降低，因而其光电催化性能最好。采用反相微乳液电沉积法成功地将金属Au、Pd、Cu和Sn以纳米级原子簇的形式沉积到TiO2纳米管阵列薄膜上。复合薄膜漫反射能谱测试结果显示，沉积金属Au、Pd和Cu的TiO2纳米管阵列薄膜与空白的TiO2纳米管阵列薄膜相比，它们的起始吸收边发生了明显的红移，金属Pd的加入更是将激发波长拓展到可见光的范围，大大提高太阳光的利用率。研究了外加偏压、电解质、溶液初始pH值、光照强度和纳米管光电极表面积等因素对TiO2纳米管阵列薄膜降解亚甲基蓝的光电催化性能的影响。实验结果表明，光电协同催化作用和纳米管结构产生的吸附作用极大促进了TiO2纳米管阵列对有机物的降解效率。以NaCl为电解质，在O2热处理气氛下，外加偏压为0.5V，pH=3.00，光照强度为1000μW/cm2，纳米管薄膜表面积为2cm×2cm，且MB初始浓度为10mg/L的条件下，TiO2纳米管阵列薄膜光电催化降解MB的降解效率可达99.56%。电化学阻抗谱分析显示，光电催化降解过程速控步骤均为表面反应步骤，外加偏压减小了界面电荷转移阻抗，提高了光生载流子的分离效率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 印染废水特点及危害
• 1.1.1 印染废水的特点
• 1.1.2 印染废水的危害
• 1.1.2.1 印染废水中染料的危害
• 1.1.2.2 印染废水中重金属的危害
• 1.1.2.3 其它物质的危害
• 1.2 印染废水治理研究现状
• 1.2.1 常用印染废水处理的方法和技术
• 1.2.1.1 物化法处理印染废水
• 1.2.1.2 生物法处理印染废水
• 1.3 二氧化钛光电催化技术的研究背景及进展
• 1.3.1 二氧化钛光电催化技术的研究背景
• 1.3.2 二氧化钛光电催化作用机理
• 1.3.3 二氧化钛光电催化反应动力学的研究
• 1.3.4 二氧化钛光电催化反应的影响因素
• 1.3.4.1 催化剂的性能
• 1.3.4.2 催化剂的悬浮与固定及光反应器
• 1.3.4.3 光电催化反应体系
• 1.4 纳米二氧化钛催化剂的制备及应用
• 1.4.1 二氧化钛纳米管的制备方法
• 1.4.1.1 模板合成法
• 1.4.1.2 水热合成法
• 1.4.1.3 阳极氧化法
• 1.4.2 二氧化钛纳米管在环境领域中的应用
• 1.4.2.1 大气污染治理的应用
• 1.4.2.2 水污染治理的应用
• 1.4.2.3 固体废物治理的应用
• 1.5 半导体二氧化钛改性的研究进展
• 1.5.1 贵金属沉积
• 1.5.2 复合半导体
• 1.5.3 离子掺杂
• 1.6 选题背景、课题来源、目的及研究内容
• 1.6.1 选题背景
• 1.6.2 课题来源
• 1.6.3 研究目的及意义
• 1.6.4 目标降解物的选择
• 1.6.5 研究内容
• 2纳米管阵列及结构性能表征研究'>第2章 阳极氧化法制备TiO₂纳米管阵列及结构性能表征研究
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 实验材料与试剂
• 2.1.2 实验仪器
• 2.1.3 表征分析
• 2.1.3.1 X射线衍射（XRD）
• 2.1.3.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.1.3.3 透射电子显微镜（TEM）
• 2.1.3.4 紫外可见分光光度计（UV-Vis）
• 2纳米管阵列的制备'>2.1.4 TiO₂纳米管阵列的制备
• 2纳米管阵列薄膜光电化学性能测试'>2.1.5 TiO₂纳米管阵列薄膜光电化学性能测试
• 2.1.6 光电极的制备
• 2纳米管阵列形成机理及表征分析'>2.2 TiO₂纳米管阵列形成机理及表征分析
• 2纳米管阵列的结构形成机理分析'>2.2.1 TiO₂纳米管阵列的结构形成机理分析
• 2纳米管阵列的SEM分析'>2.2.2 TiO₂纳米管阵列的SEM分析
• 2纳米管阵列的XRD分析'>2.2.3 TiO₂纳米管阵列的XRD分析
• 2纳米管阵列的DRS分析'>2.2.4 TiO₂纳米管阵列的DRS分析
• 2纳米管阵列薄膜光电催化性能的影响'>2.3 不同热处理气氛对TiO₂纳米管阵列薄膜光电催化性能的影响
• 2纳米管的表征'>2.3.1 不同热处理气氛TiO₂纳米管的表征
• 2纳米管的开路电位及光电流测试'>2.3.2 不同热处理气氛TiO₂纳米管的开路电位及光电流测试
• 2纳米管的电化学阻抗测试'>2.3.3 不同热处理气氛TiO₂纳米管的电化学阻抗测试
• 2.4 本章小结
• 2纳米管表面电沉积贵金属的研究'>第3章 TiO₂纳米管表面电沉积贵金属的研究
• 3.1 试验部分
• 3.1.1 试验材料和试剂
• 3.1.2 试验仪器与设备
• 2纳米管电极的金属离子掺杂方法'>3.2 TiO₂纳米管电极的金属离子掺杂方法
• 3.2.1 微乳液的制备
• 3.2.2 反相微乳液电沉积实验条件
• 2纳米管电极的金属离子掺杂的表征分析'>3.3 TiO₂纳米管电极的金属离子掺杂的表征分析
• 2纳米管电极的SEM表征'>3.3.1 金属离子掺杂的TiO₂纳米管电极的SEM表征
• 2纳米管电极的XRD表征'>3.3.2 金属离子掺杂的TiO₂纳米管电极的XRD表征
• 2纳米管电极的DRS表征'>3.3.3 金属离子掺杂的TiO₂纳米管电极的DRS表征
• 3.4 本章小结
• 2纳米管光电催化降解亚甲基蓝（MB）的研究'>第4章 TiO₂纳米管光电催化降解亚甲基蓝（MB）的研究
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 实验材料与试剂
• 4.1.2 实验仪器
• 4.1.3 光电催化反应系统
• 4.2 预实验
• 4.2.1 储备液配置
• 4.2.2 分析方法
• 4.3 对照试验
• 4.3.1 空白试验
• 4.3.2 电化学过程、直接光解、光催化、光电催化对MB降解的比较
• 2纳米管电极光电催化降解MB的影响因素探讨'>4.4 对TiO₂纳米管电极光电催化降解MB的影响因素探讨
• 4.4.1 外加偏压对降解MB的影响
• 4.4.2 溶液初始pH值对MB降解的影响
• 4.4.3 电解质浓度对MB降解的影响
• 4.4.4 光强对MB降解的影响
• 2纳米管电极面积对MB降解的影响'>4.4.5 TiO₂纳米管电极面积对MB降解的影响
• 4.5 产物分析
• 4.5.1 紫外-可见吸收光谱
• 4.5.2 总有机碳（TOC）测定
• 4.6 本章小结
• 第5章 结论和建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历、申请学位期间的研究成果及发表的学术论文