提高二氧化钛可见光光（电）催化活性的研究

论文摘要

近二十年来,半导体异相光催化技术在降解和（或）去除环境污染物方面己获得广泛的研究,是一项高效的、有前景的高级氧化技术。TiO2由于具有高活性、光化学性质稳定、无毒和价廉等优点而成为首选光催化剂。但是该技术在实现大规模应用之前,目前至少还需大幅度地提高其效率。另外,TiO2固有的宽带隙使其催化活性仅在紫外或者近紫外光才能得以发挥,而这部分光在太阳的光谱中不足5%,因而限制了其对太阳能的利用。因此,本论文致力于寻找新的提高TiO2光催化反应效率的方法以及通过对TiO2的改性制备获得具有可见光催化活性的催化剂,并把它们应用于污染物的光催化降解。论文首先以钛基TiO2薄膜为光阳极,采用短接光电化学电池的方法分隔光催化过程中的阴、阳极反应,研究了光电化学电池中染料污染物甲基红和次甲基蓝的阳极光催化降解。结果表明,该法有利于抑制光生载流子的复合,提高污染物的光催化氧化速率;并且,在相同实验条件下短路光电流越大,甲基红降解速率越高。另外,在基底和TiO2薄膜之间夹层SnO2得到组装电极Ti/SnO2/TiO2,进一步提高了光生载流子的分离效率;同时采用电化学阻抗谱（EIS）评价了电极的光催化性能。其次,采用掺杂的方法对TiO2进行改性,制备了以下具有可见光光（电）活性的催化剂:1.钴掺杂TiO2可见光催化剂。以CoCl2、Co（NO3）2和CoSO4为钴前驱体,采用溶胶-凝胶法制备了粉末钴掺杂TiO2,运用XRD、SEM、TEM、EDAX、BET、粒度分布、TG-DSC以及UV-Vis吸收光谱等手段对样品进行了表征,对比研究了钴前驱体对样品的微观结构和吸光性能的影响。同时,以苯胺为降解目标物,比较了样品在可见光下的催化活性。结果表明,样品的TiO2晶相、形貌、比表面积和吸光性能都随着钴前驱体的不同而不同,其中以Co（NO3）2为前驱体制备得到的样品光催化活性最高,特别是1%掺杂且400℃烧结得到的样品,并讨论了其可能原因。2.钛基铬掺杂TiO2薄膜。研究了可见光下电助钛基铬掺杂TiO2薄膜电极光催化氧化NO2-离子的动力学及其机理。结果表明,没有外加偏压时,由于光生载流子的快速复合无法实现NO2-离子的光催化氧化,而当外加为1.2 V（vs.SCE）时,初始浓度为8 mg l-1的NO2-离子在3 h内降解效率高达90%。当外加偏压为0.4 V（vs.SCE）时,反应遵循表观零级反应动力学规律,而当外加偏压不小于0.8 V（vs.SCE）时则遵循准一级反应动力学规律。NO2-离子的初始浓度、溶液初始pH值、气氛和阴极反应对光催化反应的影响也进行了研究。而且,以叔丁醇或苯甲酸为羟基自由基捕获剂,研究了可见光下NO2-离子的光催化氧化机理。结果表明其光催化氧化最可能通过羟基自由基间接氧化,而不是价带空穴直接氧化。3.（Co,N）和（Ru,N）共掺杂TiO2薄膜电极。在钴和钌掺杂TiO2中引入非金属元素氮制备了（Co,N）和（Ru,N）共掺杂TiO2薄膜光催化剂,利用XRD、SEM、XPS、UV-Vis吸收光谱等对其进行了一系列的表征,并通过光电化学方法测量了它们的能带结构、光电转化效率以及界面电荷转移速率等。结果表明,同单组分掺杂TiO2相比,共掺杂明显提高了其光电化学性能,且（Co,N）和（Ru,N）共掺杂TiO2电极光电响应起始波长分别红移至580 nm和560 nm左右。同时结合光电测试结果了推测它们在可见光下的光电响应提高的可能原因。这种共掺杂改性方法有望进一步改善催化剂的可见光光催化性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1 前言
• 2光催化反应基本原理'>2 TiO₂光催化反应基本原理
• 2的晶型和能带结构'>2.1 TiO₂的晶型和能带结构
• 2的光催化作用机理'>2.2 TiO₂的光催化作用机理
• 2光催化活性的因素'>2.3 影响TiO₂光催化活性的因素
• 2.3.1 晶型
• 2.3.2 粒径
• 2.3.3 表面积
• 2.3.4 缺陷
• 2.3.5 表面羟基
• 2.3.6 表面电导和表面酸性
• 2.4 当前光催化技术的前沿问题及发展方向
• 2光催化效率提高的途径和方法'>3 TiO₂光催化效率提高的途径和方法
• 3.1 改进制备方法
• 3.2 耦合半导体
• 3.3 耦合吸附剂
• 3.4 表面装载贵金属
• 3.5 辅助外电场
• 2可见光催化剂的研制'>4 改性 TiO₂可见光催化剂的研制
• 4.1 过渡金属元素掺杂
• 4.2 非金属元素掺杂
• 2液相光催化氧化污染物的机理研究'>5 TiO₂液相光催化氧化污染物的机理研究
• 5.1 自由基间接氧化机理
• 5.2 空穴直接氧化机理
• 6 论文的选题目的意义及研究内容
• 6.1 选题目的和意义
• 6.2 研究内容
• 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 分析测试方法
• 2.1 样品表征分析
• 2.1.1 XRD分析
• 2.1.2 SEM和 TEM观测
• 2.1.3 EDAX分析
• 2.1.4 XPS分析
• 2.1.5 粉末样品表面积测试（BET法）
• 2.1.6 TG-DSC测试
• 2.1.7 IR测试
• 2.1.8 粒度分析
• 2.1.9 UV-Vis吸收光谱
• 2.2 光电化学测试方法
• 2.2.1 线性扫描伏安法
• 2.2.2 计时电流法
• 2.2.3 电化学阻抗谱
• 2.2.4 光电流作用谱
• 2.2.5 半导体平带电位的测量
• 本章参考文献
• 2光电化学电池催化氧化染料污染物'>第三章 TiO₂光电化学电池催化氧化染料污染物
• 1 前言
• 2 实验方法
• 2.1 光电极的制备
• 2.2 光催化活性评价
• 2.3 光电化学测试
• 3 结果与讨论
• 3.1 开路和短路条件下光催化氧化次甲基蓝
• 3.1.1 次甲基蓝的分析
• 3.1.2 次甲基蓝的光催化氧化
• 3.2 开路和短路条件下光催化氧化甲基红
• 3.2.1 甲基红的分析
• 3.2.2 光催化氧化甲基红
• 3.3 组合电极光电催化性能
• 3.3.1 组合电极促进光生电荷转移原理
• 3.3.2 组合电极光催化性能测试
• 3.4 EIS评价电极光电性能
• 4 小结
• 本章参考文献
• 第四章 钴掺杂二氧化钛的微观结构及其可见光催化性能——钴掺杂前驱体的影响
• 1 前言
• 2 实验方法
• 2.1 催化剂的制备和表征
• 2.2 光催化活性评价
• 2.2.1 苯胺的分析
• 2.2.2 光催化降解苯胺
• 3 结果与讨论
• 3.1 晶相结构和BET表面积
• 3.2 颗粒形貌和粒度分析
• 3.3 热分析
• 3.4 UV-Vis吸收光谱
• 3.5 光催化活性评价
• 4 小结
• 本章参考文献
• 2可见光催化氧化 NO₂^-离子'>第五章 电助铬掺杂 TiO₂可见光催化氧化 NO₂^-离子
• 1 前言
• 2 实验方法
• 2.1 光阳极
• 2.1.1 光阳极的制备和表征
• 2.1.2 光阳极的光电转化效率测量
• 2.1.3 光阳极的平带电位测定方法
• 2^-离子的光电化学氧化'>2.2 NO₂^-离子的光电化学氧化
• 2^-离子的分析'>2.2.1 NO₂^-离子的分析
• 2.2.2 实验装置
• 2.2.3 实验条件
• 2.3 电流效率
• 3 实验结果与讨论
• 2电极的性质'>3.1 铬掺杂TiO₂电极的性质
• 3.1.1 薄膜电极表征
• 3.1.2 光响应和光电化学性质
• 3.1.3 平带电位
• 2^-离子的光电化学催化氧化'>3.2 NO₂^-离子的光电化学催化氧化
• 3.2.1 气氛和阴极反应的影响
• 3.2.2 外加偏压的影响
• 2^-离子初始浓度的影响'>3.2.3 NO₂^-离子初始浓度的影响
• 3.2.4 初始pH值的影响
• 3.3 铬掺杂电极的光响应机理
• 2电极的光电化学响应机理'>3.4 铬掺杂TiO₂电极的光电化学响应机理
• 2^-离子的光催化氧化机理'>3.5 NO₂^-离子的光催化氧化机理
• 4 小结
• 本章参考文献
• 第六章 （Co，N）和（Ru，N）共掺杂二氧化钛光电化学性质研究
• 1 前言
• 2 实验方法
• 2.1 光电极的制备方法
• 2.1.1 溶胶的合成
• 2.1.2 电极的制备
• 2.2 光电极的表征
• 2.3 光电化学测试
• 3 实验结果与讨论
• 3.1 掺杂量的筛选
• 3.1.1 钴掺杂
• 3.1.2 钌掺杂
• 3.1.3 氮掺杂
• 3.1.4 共掺杂
• 3.2 共掺杂薄膜电极的表征
• 3.2.1 XRD
• 3.2.2 薄膜电极表面形貌
• 3.2.3 薄膜电极表面的XPS分析
• 3.2.4 UV-Vis吸收光谱分析
• 3.3 电极光电化学性质研究
• 3.3.1 平带电位测试
• 3.3.2 光电流作用谱
• 3.3.3 电化学阻抗谱（EIS）
• 3.4 光电响应机理初步研究
• 3.4.1 样品带隙宽度计算
• 3.4.2 氮掺杂电极的光响应可能机理
• 3.4.3 共掺杂电极的光电响应提高的可能机理
• 4 小结
• 本章参考文献
• 第七章 总结与展望
• 1 前言
• 2 本论文主要成果和创新点
• 2.1 主要成果
• 2.2 主要创新点
• 3 进一步工作展望
• 致谢
• 附录: 攻读博士期间完成的论文