掺杂La～（3+）、Cd～（2+）对纳米TiO2电极光电催化氧化甲醇的影响

论文摘要

纳米TiO2半导体是光催化和太阳能电池研究中很具吸引力的光电极材料。但TiO2只有吸收紫外光时才能形成电子-空穴对,且电子和空穴很容易复合,使其光电催化活性降低,阻碍了TiO2的实际应用。因此如何进一步提高其光电转换效率成为研究的热点。其中金属离子掺杂改性TiO2的研究倍受关注,但对其改性的机理众说纷纭,并无统一结论。研究金属离子掺杂TiO2薄膜电极光电催化性能和作用机理对提高TiO2光电转换效率及作为太阳能电池光阳极的开发具有一定的理论与应用价值。本文采用电极表面结构表征、电化学表征及吸收光谱等手段研究了La3+、Cd2+的掺杂对纳米TiO2薄膜电极光催化氧化甲醇行为及电极/溶液界面结构参数的影响。主要内容如下: 1.制备了不同浓度La3+、Cd2+掺杂,不同煅烧温度的TiO2薄膜电极应用于甲醇光电氧化。SEM、XRD表征及单扫描伏安图表明:在一定范围内,La3+、Cd2+的掺杂使TiO2电极表面均匀,粒径小,有利于产生光生电子/空穴对;通过紫外可见吸收光谱表征,一定量的La3+、Cd2+掺杂使纳米TiO2薄膜电极的吸收边带发生了红移,薄膜电极的吸收光谱范围向可见光区拓展。适量离子的掺杂能够提高光催化甲醇的活性。 2.适宜的煅烧温度可部分引起品格畸变,使催化剂表面的无序品格缺陷发生了变化,致使其催化活性和选择性也发生改变。本实验条件下,掺杂nLa3+/nTiO2为0.5%的La3+/TiO2电极煅烧450℃,掺杂nCd2+/nTiO2为0.5%的Cd2+/TiO2电极煅烧400℃可获得最大光电流。 3.甲醇吸附在电极表面被氧化,电极反应开始存在活化过程。光电流随溶液中甲醇浓度的增加而增加,存在一个浓度极限,酸性和碱性环境有利于生成·OH,因此最大光电流值对应的甲醇浓度比中性溶液中有所增加。强碱性环境中具有比水亲核性强的OH-取代水而优先吸附于TiO2粒子表面,反应时更易生成·OH,电极在碱性溶液中的氧化能力更强。 4.瞬态光电流响应直观地反映了光照对电极光催化氧化甲醇的影响。La3+和Cd2+外层电子排布不同,光照下,掺杂过渡金属镉时电流随光照时间延长可以逐渐达到稳态,但掺杂稀土元素镧时电流一直保持增加趋势。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• §1.1 引言
• §1.2 半导体纳米粒子的特性
• 2粒子的制备及光催化原理'>§1.3 纳米TiO₂粒子的制备及光催化原理
• 2粒子的制备'>§1.3.1 纳米TiO₂粒子的制备
• 2的光催化原理'>§1.3.2 纳米TiO₂的光催化原理
• 2粒子在光电转换方面的应用'>§1.4 纳米TiO₂粒子在光电转换方面的应用
• §1.5 选题依据和实验总体思路
• 第二章 实验方法
• §2.1 主要仪器和实验方法
• §2.2 试剂与溶液
• §2.3 溶胶的制备
• 3+对纳米TiO₂薄膜电极光电催化氧化甲醇的影响'>第三章 掺杂La³⁺对纳米TiO₂薄膜电极光电催化氧化甲醇的影响
• 3+/TiO₂（sol-gel）薄膜电极的制备'>§3.1 La³⁺/TiO₂（sol-gel）薄膜电极的制备
• 3+/TiO₂薄膜电极的制备'>§3.1.1 不同浓度La³⁺/TiO₂薄膜电极的制备
• 3+对TiO₂薄膜电极光电氧化甲醇的影响'>§3.1.2 掺杂不同浓度La³⁺对TiO₂薄膜电极光电氧化甲醇的影响
• 3+/TiO₂薄膜电极光电氧化甲醇的影响'>§3.1.3 不同煅烧温度对La³⁺/TiO₂薄膜电极光电氧化甲醇的影响
• 3+/TiO₂（sol-gel）薄膜电极表征'>§3.2 La³⁺/TiO₂（sol-gel）薄膜电极表征
• §3.2.1 表面结构表征
• §3.2.2 紫外—可见吸收光谱（UV-Vis）表征
• §3.2.3 电化学表征
• §3.3 溶液pH值及甲醇浓度对电极氧化行为的影响
• 3+/TiO₂薄膜电极的稳定性研究'>§3.3.1 La³⁺/TiO₂薄膜电极的稳定性研究
• §3.3.2 溶液pH值对电极光电氧化甲醇的影响
• §3.3.3 甲醇浓度对电极光电氧化甲醇电流的影响
• 2纳米多孔膜的瞬态光电流响应'>§3.4 TiO₂纳米多孔膜的瞬态光电流响应
• §3.5 本章小结
• 2+对纳米TiO₂薄膜电极光电催化氧化甲醇的影响'>第四章 掺杂Cd²⁺对纳米TiO₂薄膜电极光电催化氧化甲醇的影响
• 2+/TiO₂（sol-gel）薄膜电极的制备'>§4.1 Cd²⁺/TiO₂（sol-gel）薄膜电极的制备
• 2+/TiO₂薄膜电极的制备'>§4.1.1 不同浓度Cd²⁺/TiO₂薄膜电极的制备
• 2+对TiO₂薄膜电极光电氧化甲醇的影响'>§4.1.2 掺杂不同浓度Cd²⁺对TiO₂薄膜电极光电氧化甲醇的影响
• 2+/TiO₂薄膜电极光电氧化甲醇的影响'>§4.1.3 不同煅烧温度对Cd²⁺/TiO₂薄膜电极光电氧化甲醇的影响
• 2+/TiO₂（sol-gel）薄膜电极表征'>§4.2 Cd²⁺/TiO₂（sol-gel）薄膜电极表征
• §4.2.1 表面结构表征
• §4.2.2 紫外—可见吸收光谱（Uv-vis）表征
• §4.2.3 电化学表征
• §4.3 溶液pH值及甲醇浓度对电极氧化行为的影响
• §4.3.1 溶液pH值对电极光电氧化甲醇的影响
• §4.3.2 不同浓度甲醇对光电氧化电流的影响
• 2纳米多孔膜的瞬态光电流响应'>§4.4 TiO₂纳米多孔膜的瞬态光电流响应
• §4.5 本章小结
• 2电极界面/溶液结构性质初探'>第五章 掺杂金属离子的TiO₂电极界面/溶液结构性质初探
• §5.1 半导体溶液/界面简介
• §5.2 薄膜电极的界面结构参数测定
• §5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献