TiO2纳米管阵列膜的改性、表征及其光电催化性能研究

论文摘要

TiO2纳米管阵列膜作为一种新型的纳米TiO2材料,由于具有独特的、高度有序的阵列结构和良好的力学性能、化学稳定性以及抗腐蚀性能,引起了人们的极大关注,已在光催化降解污染物、太阳能电池、气敏传感材料、光解水制氢等领域显示出诱人的应用前景。然而,锐钛矿型TiO2是宽禁带（Eg=3.2 eV）半导体化合物,在光催化反应中只有波长较短的太阳光（λ＜387 nm）才能使其激发产生光生电子-空穴对,太阳能利用率仅3-4%;另一方面,光生电子-空穴对的复合率较高也限制了其光催化效率的提高。因此,（1）如何提高TiO2对可见光的吸收,（2）如何提高TiO2光催化效率是实现其应用的两个关键技术难题。本工作旨在拓展TiO2纳米管阵列膜光谱响应范围,抑制光生电子-空穴对的复合,提高其光催化效率。一方面,采用简单易行的方法,对TiO2纳米管阵列膜进行修饰改性;另一方面,采用电化学辅助的方式,即光电催化,提高光生电子-空穴对的分离效率。利用SEM、XPS、XRD、Raman、UV-vis吸收光谱、光电流谱等技术对TiO2纳米管阵列膜的表面形貌、组成成份、结构、光吸收和光电流等进行表征,并通过对亚甲基蓝溶液的光催化降解评价其光催化活性。通过光电流谱和电化学阻抗谱考察外加偏压对TiO2纳米管阵列膜光电化学活性的影响,并通过对苯酚溶液的降解考察其光电催化效率。主要研究进展及结果如下:1.应用电化学阳极氧化法,以Fe（NO3）3和HF的混合水溶液为电解液在Ti基底上成功制备了Fe3+掺杂的TiO2纳米管阵列膜。当溶液中Fe（NO3）3浓度低于0.2 mol/L时,膜层仍呈高度有序的阵列结构。Fe3+掺杂后TiO2纳米管阵列膜具有良好的光电响应,紫外可见吸收带边发生了明显的红移。光催化降解亚甲基蓝（MB）的结果表明,Fe3+掺杂的TiO2纳米管阵列膜在紫外光区和可见光区的光催化活性均有一定程度的提高。2.采用超声浸渍与光化学相结合的方法成功制备了Ag纳米颗粒高度分散的、载Ag量可控的TiO2纳米管阵列膜。光电流谱的检测结果显示,负载Ag后TiO2纳米管阵列膜光生电子-空穴对得到了有效的分离。载银TiO2纳米管阵列膜的光催化活性相对单纯TiO2纳米管阵列膜明显提高。3.应用光电协同作用的方法研究TiO2纳米管阵列膜的光电性质。结果表明,TiO2的晶型结构对其光电化学活性影响较大,450℃热处理的TiO2纳米管阵列膜具有良好的锐钛矿晶型,光电化学活性最高。电化学阻抗谱的测试揭示了TiO2纳米管阵列膜光生电子-空穴对的分离及传输特性,外加偏压减小了界面电荷转移阻抗,提高了光生电子-空穴对的分离效率。4.以苯酚为目标污染物,研究了TiO2纳米管阵列膜的光电催化性能,并与光催化性能进行对比。结果表明,光催化及光电催化过程的速控步骤均为表面反应步骤,TiO2纳米管阵列膜光电催化降解苯酚的效率明显优于单纯的光催化,且外加偏压为0.6V时结晶度较好的锐钛矿型TiO2纳米管阵列膜对苯酚的光电催化降解效率最高。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 2纳米管阵列膜的制备及形成机理'>1.1 TiO₂纳米管阵列膜的制备及形成机理
• 2纳米管阵列膜的装置'>1.1.1 TiO₂纳米管阵列膜的装置
• 2纳米管阵列膜的制备体系'>1.1.2 TiO₂纳米管阵列膜的制备体系
• 2纳米管阵列膜的形成机理'>1.1.3 TiO₂纳米管阵列膜的形成机理
• 2纳米管阵列膜的应用'>1.2 TiO₂纳米管阵列膜的应用
• 1.2.1 光催化氧化环境污染物
• 1.2.2 其它方面的应用
• 2纳米管阵列膜的改性'>1.3 TiO₂纳米管阵列膜的改性
• 1.3.1 非金属掺杂
• 1.3.2 金属离子掺杂
• 1.3.3 半导体复合
• 1.3.4 负载贵金属
• 1.3.5 其它方法
• 1.4 本工作的研究内容和意义
• 参考文献
• 第二章 实验技术与仪器
• 2.1 试剂和材料
• 2.1.1 分析纯试剂
• 2.1.2 材料
• 2纳米管阵列膜的制备及改性'>2.2 TiO₂纳米管阵列膜的制备及改性
• 2纳米管阵列膜的制备'>2.2.1 TiO₂纳米管阵列膜的制备
• 3+掺杂TiO₂纳米管阵列膜的制备'>2.2.2 Fe³⁺掺杂TiO₂纳米管阵列膜的制备
• 2纳米管阵列膜的可控制备'>2.2.3 载Ag TiO₂纳米管阵列膜的可控制备
• 2纳米管阵列膜结构和性质的表征'>2.3 TiO₂纳米管阵列膜结构和性质的表征
• 参考文献
• 3+掺杂TiO₂纳米管阵列膜的制备、表征及其光催化特性'>第三章 Fe³⁺掺杂TiO₂纳米管阵列膜的制备、表征及其光催化特性
• 3.1 引言
• 3+掺杂TiO₂纳米管阵列膜的制备和表征'>3.2 Fe³⁺掺杂TiO₂纳米管阵列膜的制备和表征
• 3+掺杂TiO₂纳米管阵列膜的制备'>3.2.1 Fe³⁺掺杂TiO₂纳米管阵列膜的制备
• 3+掺杂TiO₂纳米管阵列膜的形成机理'>3.2.2 Fe³⁺掺杂TiO₂纳米管阵列膜的形成机理
• 3+掺杂TiO₂纳米管阵列膜的表征'>3.2.3 Fe³⁺掺杂TiO₂纳米管阵列膜的表征
• 3+掺杂TiO₂纳米管阵列膜的光电化学性能'>3.3 Fe³⁺掺杂TiO₂纳米管阵列膜的光电化学性能
• 3+掺杂TiO₂纳米管阵列膜的光催化活性'>3.4 Fe³⁺掺杂TiO₂纳米管阵列膜的光催化活性
• 3.4.1 光催化降解亚甲基蓝的装置及实验过程
• 3+掺杂TiO₂纳米管阵列膜紫外光光照下的光催化活性'>3.4.2 Fe³⁺掺杂TiO₂纳米管阵列膜紫外光光照下的光催化活性
• 3+掺杂TiO₂纳米管阵列膜可见光光照下的光催化活性'>3.4.3 Fe³⁺掺杂TiO₂纳米管阵列膜可见光光照下的光催化活性
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 2纳米管阵列膜'>第四章 超声浸渍-光化学结合制备载银TiO₂纳米管阵列膜
• 4.1 引言
• 2纳米管阵列膜的制备及表征'>4.2 载银TiO₂纳米管阵列膜的制备及表征
• 2纳米管阵列膜的制备'>4.2.1 载银TiO₂纳米管阵列膜的制备
• 2纳米管阵列膜的形成机理'>4.2.2 载银TiO₂纳米管阵列膜的形成机理
• 2纳米管阵列膜的表征'>4.2.3 载银TiO₂纳米管阵列膜的表征
• 2纳米管阵列膜的光电化学活性及光催化活性'>4.3 载银TiO₂纳米管阵列膜的光电化学活性及光催化活性
• 2纳米管阵列膜的光电化学活性'>4.3.1 载银TiO₂纳米管阵列膜的光电化学活性
• 2纳米管阵列膜的光催化活性'>4.3.2 载银TiO₂纳米管阵列膜的光催化活性
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 2纳米管阵列的光电化学活性及光电催化降解苯酚研究'>第五章 TiO₂纳米管阵列的光电化学活性及光电催化降解苯酚研究
• 5.1 引言
• 5.1.1 光电催化
• 5.1.2 电化学阻抗谱
• 2纳米管阵列的制备及表征'>5.2 TiO₂纳米管阵列的制备及表征
• 2纳米管阵列的光电化学活性'>5.3 TiO₂纳米管阵列的光电化学活性
• 2纳米管阵列膜的光电催化活性'>5.4 TiO₂纳米管阵列膜的光电催化活性
• 5.4.1 光电催化降解苯酚的分析方法及实验过程
• 2纳米管阵列膜的光电催化活性'>5.4.2 TiO₂纳米管阵列膜的光电催化活性
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 作者攻读硕士学位期间发表与交流的论文
• 致谢