TiO2光电催化性能及其应用研究

论文摘要

近年来，印染废水的脱色处理已经引起了研究者的兴趣，针对废水的处理也使用过不少的方法，如：化学、物理、生物法等。但是由于染料分子的稳定性，这些传统的生物、物埋处理方法已经没有多大的效果，它们并不能把有机物分子完全矿化。自从Fuiishima和Honda发现水在TiO2电极表面可以分解为氢气（H2）和氧气（O2）以后，光催化氧化技术已经很成功的应用于各种有机废水的净化。由于TiO2的高催化性能、无毒、制备成本低、抗化学和光腐蚀能力强等优点，因此被广泛应用于废水的处理，特别是一些难降解物质的处理。TiO2的带宽为3.2eV，当被波长小于400nm的紫外光照射时，在其表面会生成光生电子和光生空穴，光生空穴有很强的氧化性能，它可以和溶液中的有机物反应，并把其氧化为小分子物质，光生电子和光生空穴的复合速率决定了光催化效率的高低。本文用改进的溶胶—凝胶的方法制备了具有纳米结构的TiO2薄膜，在TiO2薄膜的制备过程中，用冰乙酸代替了通常使用的盐酸、硝酸等，由于醋酸是一个很好的配体，它可以和钛酸丁酯中的钛形成络合物，因此可以大大降低了钛酸丁酯的水解速率，从而得到了比较稳定且粒径较小的TiO2纳米颗粒，通过一系列的表征测试，纳米TiO2的晶型为催化活性较高的锐钛矿型，其颗粒粒径为10nm左右。为了提高对有机物的降解效率，本实验还研究了阴离子对催化效果的影响，在水溶液中加入一些阴离子，如NO3-，Cl-，HCO3-和SO42-来增加溶液的电导率，实验发现，在光电催化降解过程中，电解质的存在对污染物质的完全降解起到了很重要的作用。Cl-和SO42-等离子的存在，增加了溶液的电导率，同时也降低了电子-空穴电对的复合，促进了电荷分离，因而可以提高TiO2光催化剂的活性。通过研究发现，溶液中的氯离子还具有和其它阴离子不同的性能，与其它阴离子相比较，可以很明显的增加曙红B的降解速率。它在光电催化降解的过程中不仅起到了电解质的作用，还参与了催化反应，在光照的情况下，被催化剂氧化，生成了一个具有强氧化性能的中间体，中间体也可以氧化有机物大分子，从而很大程度地促进了有机物的降解。同时，本实验也研究了外加偏压对有机物光化学降解效率的影响，通过研究发现，在二氧化钛电极上施加一个偏压，可以有效地提高光催化效率。二氧化钛电极偏压的存在，可以有效地把光生电子驱赶到对电极上，减小了光生电子和光生空穴的复合速率，延长了电子一空穴的寿命。它还可以靠电场把一些有机物负离子吸引到电极表面上来，在电极表面，光生空穴和H2O／OH-等反应，产生具有较大氧化能力的OH·，这就促进了氧化有机污染物的效率。在实验过程中把TiO2固定在铟锡玻璃（ITO）上作为光阳极，使用铂电极作为对电极，饱和的Ag／AgCl电极作为参比电极，并且在电极上施加电压，分别以曙红B和甲基紫溶液为目标降解物，并且选用NaCl，Na2SO4，NaNO3，NaHCO3和Na2CO3等无机盐作为电解质来研究体系光电协同催化的性能。实验证明，在光照、0.5mol／L的氯离子和+4.38V外加电压存在的条件下，30分钟内染料废水的色度去除率可以达到98％以上，具有较高的催化效率。实验中所用的光阳极TiO2／ITO电极，可以连续使用300分钟以上，而有机物的降解速率没有明显下降，说明实验中制备的TiO2电极具有很好的稳定性。因而，本体系在实际应用中具有较好的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 光催化研究概述
• 2光催化技术与原理'>1.2 TiO₂光催化技术与原理
• 2光催化的应用'>1.3 TiO₂光催化的应用
• 1.3.1 废水中有机物的光催化降解
• 1.3.2 净化空气
• 1.3.3 含油废水的处理
• 1.4 影响光催化活性的因素
• 2的晶体结构'>1.4.1 TiO₂的晶体结构
• 2单晶表面的几何结构和电子结构'>1.4.2 TiO₂单晶表面的几何结构和电子结构
• 2的性质和应用'>1.4.3 TiO₂的性质和应用
• 2薄膜的制备方法'>1.5 纳米TiO₂薄膜的制备方法
• 1.5.1 溶胶-凝胶法
• 1.5.2 沉积法
• 1.5.3 溅射法
• 1.5.4 离子交换法
• 2薄膜光催化效率的影响因素'>1.6 TiO₂薄膜光催化效率的影响因素
• 2的晶相组成'>1.6.1 TiO₂的晶相组成
• 2的晶粒尺寸'>1.6.2 TiO₂的晶粒尺寸
• 2薄膜的厚度'>1.6.3 TiO₂薄膜的厚度
• 2表面积和表面预处理'>1.6.4 TiO₂表面积和表面预处理
• 1.7 提高光催化剂的途径
• 2光催化剂的改性'>1.7.1 TiO₂光催化剂的改性
• 2光电协同催化'>1.7.2 TiO₂光电协同催化
• 1.8 本课题的选题背景
• 2光催化薄膜的制备工艺及表征方法'>2 TiO₂光催化薄膜的制备工艺及表征方法
• 2.1 主要实验仪器及试剂
• 2.1.1 仪器设备
• 2.1.2 实验试剂
• 2.2 光电催化降解有机染料实验过程
• 2薄膜的工艺流程图'>2.2.1 制备TiO₂薄膜的工艺流程图
• 2.2.2 溶胶凝胶的制备
• 2.2.3 纳米二氧化钛薄膜的制备
• 2.2.4 实验方法及工作步骤
• 2.3 表征方法
• 2.3.1 XRD分析表征
• 2.3.2 TEM分析
• 2.3.3 Raman光谱分析
• 2.3.4 紫外-可见分析
• 2.3.5 光催化活性测试表征
• 2.4 本章小节
• 3 结果与讨论
• 2光催化剂的表征'>3.1 纳米TiO₂光催化剂的表征
• 2催化剂的XRD表征'>3.1.1 TiO₂催化剂的XRD表征
• 2催化剂的TEM表征'>3.1.2 TiO₂催化剂的TEM表征
• 2催化剂的拉曼光谱表征'>3.1.3 TiO₂催化剂的拉曼光谱表征
• 3.1.4 紫外-可见光吸收光谱
• 2的热重差热分析'>3.1.5 纳米TiO₂的热重差热分析
• 3.2 催化性能的分析
• 3.2.1 醋酸在光催化薄膜制备过程中的作用
• 3.2.2 不同实验条件对染料催化降解的影响
• 3.2.3 外加电压和光照对催化效果的影响
• 3.2.4 被降解溶液中盐离子对降解效果的影响
• 3.3 被降解有机物的分析
• 3.3.1 被降解物质曙红B的脱色效果
• 3.3.2 光电协同催化对甲基紫的催化降解效果
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 在读期间科研成果简介
• 致谢