论文题目: TiO2和过渡金属掺杂TiO2薄膜电极的制备及光电化学性能研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 物理化学
作者: 曹江林
导师: 张鉴清,曹楚南
关键词: 纳米多孔膜电极,溶胶凝胶,阴极电沉积,吸附,光电催化,光腐蚀,掺杂
文献来源: 浙江大学
发表年度: 2005
论文摘要: TiO2的光催化性能自1972年发现以来,人们在光能化学转换、光催化降解有机物、光化学合成、界面的光诱导亲水、自清洁材料合成等方面开展了大量研究工作。由于TiO2光催化氧化能够降解水体和空气中的绝大多数有机污染物,降解最终产物为H2O、CO2和无害盐类,产物清洁,被认为是一种极具前途的有机污染物高级氧化技术。但对于发生在水溶液中的光氧化降解反应,仍有许多问题制约着这种技术的发展。催化剂的失活,较慢的反应速率,较低的光量子效率,难以预见的反应机理等因素制约着TiO2光催化技术的广泛应用。基于以上问题的考虑,本论文采用负载型TiO2电极,研究了在水中氧化甲醇的反应机理,及界面反应对TiO2电极光稳定性的影响;并制备了金属离子掺杂的TiO2电极以提高其对可见光的利用率。 本文工作分两大部分,第一部分研究了纳米TiO2薄膜电极的制备和在水溶液中光电催化氧化在电极上无吸附的小分子醇时发生在TiO2/电解液界面上吸附、电荷转移过程的特点及其这些过程对TiO2电极光稳定性能的影响。第二部分研究了用阴极电沉积法制备过渡金属离子掺杂的纳米TiO2薄膜电极及其它们在可见光下的光响应。主要研究工作包括: （1） 溶胶-凝胶法制备纳米TiO2薄膜电极及表征 采用改进的溶胶-凝胶法合成了TiO2胶体溶液,通过对胶体的热压处理得到了性质稳定,颗粒大小均一的纳米TiO2粒子溶液。用提拉制膜技术在导电玻璃上制备了纳米TiO2薄膜电极。借助XRD、SEM、BET和孔径分布测定等手段对电极的物理性质进行了表征,结果表明,在450℃烧结条件下,可以得到以锐钛矿型为主的,平均粒径为30nm,平均孔径为25-30nm的纳米多孔薄膜。 （2） 阴极电沉积法制备纳米TiO2薄膜电极及表征 以Ti（O2）SO4做为前驱体,采用阴极电沉积技术直接在Ti片和导电玻璃两种基底上制备了纳米TiO2薄膜电极,实验发现在组成为0.5 mol·L-1Na2SO4+10mmol·L-1Ti（O2）SO4+0.1mol·L-1KNO3的电沉积液中,选择沉积电位为-1.4V,沉积时间在400-500秒之间,可以得到在白光下具有最佳光电流的TiO2薄膜电极。应用光电测试方法考察了两种基底分别对纳米TiO2薄膜的影响。 （3） TiO2粒子/电解液界面OH-吸附、电荷转移过程对光电催化氧化小分子醇
论文目录:
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.选题的目的和意义
2.半导体纳米粒子及其特征
2.1.量子尺寸效应
2.2.表面效应
3.纳米TiO_2的制备
3.1.气相法
3.2.液相法
4.半导体的光电化学原理
4.1.基本原理
4.2.动力学研究进展
4.3.半导体光催化剂的选择
4.4.光催化剂研究进展
4.5.有机污染物的光催化氧化
4.5.1.电解液的组成，pH值和添加物的影响
4.5.2.温度的影响
4.5.3.光强的影响
4.6.氧化机理研究
5.TiO_2光催化剂的失活
5.1.反应中间产物在催化剂表面吸附或积累
5.2.羟基自由基的消耗
5.3.晶格氧扩散的影响
5.4.吸附水的影响
6.光催化技术中存在的问题及实验总体思路
本章参考文献
第二章 实验部分
1 化学试剂和实验仪器
1.1 化学试剂及规格
1.2 实验仪器
2 实验方法
2.1 电化学实验
2.1.1 线形伏安法
2.1.2 计时电流法
2.2 光电及光电流作用谱测量
2.3 表面谱学测试
2.3.1 SEM观测
2.3.2 EDAX测试分析
2.3.3 XRD分析
2.3.4 比表面积(BET)测定
2.4 紫外可见吸收光谱
2.5 电化学阻抗谱测量
本章参考文献
第三章 纳米TiO2薄膜电极的制备和表征
1 引言
2 溶胶-凝胶法制备纳米TiO_2薄膜电极和结构表征
2.1 纳米TiO_2溶胶的制备
2.2 纳米TiO_2薄膜电极的制备
2.3 纳米TiO_2薄膜电极的表征
3 阴极电沉积法制备纳米TiO_2薄膜电极和结构表征
3.1 电沉积液的制备
3.2 电沉积制备纳米TiO_2薄膜电极
3.2.1 Ti(O_2)SO_4配合物的沉淀机理
3.2.2 电沉积制备纳米TiO_2薄膜机理
3.2.3 在钛片上电沉积纳米TiO_2薄膜最优化条件选择
3.2.4 在导电玻璃上电沉积纳米TiO_2薄膜最优化条件选择
3.3 电沉积制备纳米TiO_2薄膜电极的结构表征
4 TiO_2薄膜平带电位的测量
5 小结
本章参考文献
第四章 纳米TiO_2薄膜电极光电氧化醇的性质研究
1 引言
2 实验方法
2.1 电极和电解液
2.2 研究方法
3 结果与讨论
3.1 纳米TiO_2薄膜电极结构及能带模型的建立
3.1.1 电极结构模型的建立
3.1.2 电极能带模型的建立
3.2 OH~-在TiO_2表面的吸附和光氧化动力学行为研究
3.2.1 OH~-在TiO_2表面的光氧化动力学模型
3.2.2 醇的浓度对光电流的影响
3.2.3 动力学模型的验证
3.2.4 与文献结果比较
3.2.5 关于模型的两点说明
4 小结
本章参考文献
第五章 纳米TiO_2薄膜电极在不同pH值溶液中的光腐蚀和光稳定性研究
1 引言
2 实验部分
2.1 纳米TiO_2薄膜电极的制备和溶液配制
2.2 研究方法
3 结果与讨论
3.1 pH值的影响
3.2 甲醇浓度的影响
3.3 TiO_2的溶解性光腐蚀
3.4 纳米TiO_2的氧化性光腐蚀
4 小结
本章参考文献
第六章 阴极电沉积制备过渡金属离子掺杂纳米TiO_2薄膜电极及可见光响应研究
1 引言
2 实验方法
2.1 电沉积液的制备
2.2 薄膜电极的制备和表征
2.3 光电化学测量
3 结果与讨论
3.1 电沉积原理
3.2 电沉积掺杂Fe的TiO_2薄膜电极及可见光响应
3.3 电沉积掺杂Zr的TiO_2薄膜电极及可见光响应
3.4 电沉积掺杂Sn的TiO_2薄膜电极及可见光响应
3.5 电沉积掺杂Co的TiO_2薄膜电极及可见光响应
4 小结
本章参考文献
第七章 总结与展望
1 本文的主要成果和创新点
1.1 本论文的主要成果
1.2 本论文的创新点
2 展望
致谢
附录 博士期间录用或送审的论文
发布时间: 2005-10-26
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