WO3/TiO2复合电极光电催化降解甲基橙性能研究

论文摘要

光催化技术是一项用于治理化学污染的新兴环保技术,较传统的方法有成本低、效率高、无二次污染等优势。光催化剂多为半导体氧化物。但光催化半导体多以粉末状存在,固液分离困难;且具有高效率的光催化半导体一般能带间隙宽,可见光利用率低,致使光催化技术仍没法在实际应用中有效推广。本课题将不同能隙的两种半导体复合后负载在导电玻璃上,并采用光电联合催化的技术降解有机物,试图在不影响降解率的前提下,解决固液分离及向可见光扩展的问题。所研究的主要内容包括制备具有高效可见光、紫外光催化效果的电极;探索使电极具有高催化性能的使用环境,包括光强、偏压、pH值;在此基础上通过电化学方法来研究组分及使用环境影响降解效率的原因,以指导组分设计和条件选择。在设计组分的研究中,先分析了丝网印刷制备光电催化电极的成膜性能,并对各组分电极进行了表征,然后比较了不同组分电极在蓝光和紫外光下光电降解甲基橙（MO）的效果。结果显示丝网印刷制备的电极,成膜致密、颗粒均匀,与基板粘结性能良好,成膜厚度较一致。扫描电镜FSEM结果显示不同组分的WO3-TiO2复合后,复合电极较纯组分电极表面形貌更加均匀,颗粒更加细小;XRD和拉曼分析表明复合后没有新的物相、物种生成;通过UV-VIS漫反射谱计算的能带结果显示,复合后从纯TiO2到纯WO3,禁带宽度先迅速下降,后趋于平稳。降解结果表明,复合后能够获得较纯组分电极降解效果更好的电极;10 wt.%WO3电极在可见光和紫外光降解下均具有最佳降解效果,该电极在蓝光光电效果可以达到66%,紫外光光电降解效果可以达到56%。在设计降解条件的研究中,比较了不同光强、偏压、初始pH值对降解的影响,并通过循环伏安（CV）曲线和静态光电流曲线,分析了上述因素影响降解的原因。结果表明在1V的偏压和62W/m2的光强下,光电联合作用降解效率是光降解的1.79倍、电降解的2.03倍;光强增大,降解效率增大,但光强增大1倍时,光电流增大0.71倍,降解率只增大0.44倍;随着偏压的增大和初始pH值的减小,降解效率不断增大;且偏压和pH值存在协同效应,当pH值为3时,在4V的偏压下,甲基橙2小时内能够完全降解;当pH值为2时,在0.5V的偏压下,甲基橙2小时内能够完全降解。对降解产物进行分析,产物完全脱色时,甲基橙的醌式结构被破坏。循环伏安曲线（CV）的结果表明pH值可以改变甲基橙的结构,且减小pH值,甲基橙的氧化电位降低和吸附能力增强,降解效率增大。在机理分析的过程中,首先提取了同一组分电极在不同降解条件下的光电转换效率（IPCE）,结果表明IPCE可以作为衡量同一组分电极,在不同的降解条件下的催化降解能力的指标, pH值越低、偏压越高,IPCE越大,同时降解效率越高。其次,用电化学阻抗谱（EIS）分析了结构和偏压影响降解的机理。EIS分析结果表明不同复合比例的电极,异质结数量不同,10 wt.%WO3电极异质结数目最多,促进电荷分离的能力强,降解效率最高;增大偏压,可以增大双电层电容,和电极表面甲基橙溶液的浓度,从而促进降解。动力学研究表明,降解甲基橙的过程符合Langmuir-Hinshwood动力学方程,且为一级动力学过程,一级反应速率常数随着pH值的减小、光强的增大、偏压的增大而增大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 光电催化的研究现状
• 1.3 半导体光电催化的机理
• 1.4 影响光电催化效率的因素
• 3、TIO₂在光催化中的应用现状及前景'>1.5 WO₃、TIO₂在光催化中的应用现状及前景
• 1.6 本课题的内容与创新
• 3 / TIO₂ 复合薄膜电极的制备及光电催化效果'>2 W0₃ / TIO₂复合薄膜电极的制备及光电催化效果
• 2.1 实验方法
• 2.2 催化电极的表征结果
• 2.3 复合电极对甲基橙的降解效果
• 2.4 小结
• 3 光强、偏压、PH值对光电降解的影响
• 3.1 实验方法
• 3.2 光强、偏压、PH值影响降解的结果与分析
• 3.3 小结
• 4 光电催化降解的机理分析
• 4.1 光电转换效率（IPCE）
• 4.2 电化学阻抗谱（EIS）在分析光电催化上的应用
• 4.3 光电催化降解的动力学研究
• 3/TIO₂复合光电催化降解的机理'>4.4 WO₃/TIO₂复合光电催化降解的机理
• 4.5 小结
• 5 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读硕士学位期间撰写论文