Pt-石墨烯-TiO2薄膜電極制備及其光電催化性能研究.pdf

1、近年來(lái)，由于二氧化鈦(TiO2)具有光催化活性高、價(jià)格低廉、容易獲取、無(wú)毒無(wú)害、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，引起世人的廣泛關(guān)注。本文采用陽(yáng)極氧化技術(shù)、電化學(xué)沉積技術(shù)和真空蒸發(fā)技術(shù)制備出兩種響應(yīng)可見(jiàn)光的Pt/石墨烯/TiO2薄膜電極。電化學(xué)沉積時(shí)以氯鉑酸、磷酸氫二銨、磷酸氫二鈉和水的混合溶液為電解液;真空蒸發(fā)時(shí)固定其電流為0.5埃/s，調(diào)節(jié)其蒸鍍時(shí)間。并且通過(guò)掃描電鏡(SEM)、X射線衍射分析(XRD)、紫外-可見(jiàn)-近紅外吸收光譜（UV-Vis-NI

2、R）、X射線光電子能譜分析(XPS)、拉曼光譜分析（Raman）等分析方法，研究了Pt/石墨烯/TiO2薄膜電極的形貌、晶體結(jié)構(gòu)、光吸收特性等。以甲基橙(MO)為模擬印染廢水污染物，研究其宏觀光電催化活性;并探索其不同地微觀結(jié)構(gòu)對(duì)宏觀光電催化活性的影響。在此基礎(chǔ)上，探討了其光電催化降解MO溶液的影響因素，取得如下結(jié)論:
　　(1)通過(guò)對(duì)陽(yáng)極氧化電壓、氧化時(shí)間、電極距離及煅燒等制備條件的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了石墨烯/TiO2薄膜電極的可控制備

3、，其最佳制備條件為:一定量的石墨烯加入到50ml濃度為100mg/L的Mg(NO3)2·6H2O溶液中，超聲混合均勻，陽(yáng)極氧化電壓40V，氧化時(shí)間為2min，在450℃條件下煅燒2h。通過(guò)對(duì)電化學(xué)沉積的氧化電壓、氧化時(shí)間、電極距離及氫還原溫度和時(shí)間等制備條件的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了Pt/石墨烯/TiO2薄膜電極的可控制備，其最佳制備條件為:電解液質(zhì)量比為氯鉑酸∶磷酸氫二銨∶磷酸氫二鈉=1∶10∶30，氧化電壓30V，時(shí)間為90min，在H2∶ N

4、2=1∶3的條件下，于550℃還原2h。通過(guò)優(yōu)化真空蒸發(fā)時(shí)的電流大小和蒸鍍時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了Pt/石墨烯/TiO2薄膜電極的可控制備，其最佳制備條件為:電流為0.5埃/s，蒸鍍時(shí)間為80s，鉑層厚度為40埃。
　　(2) SEM分析表明，通過(guò)陽(yáng)極氧化法制備的石墨烯/TiO2薄膜，微觀結(jié)構(gòu)為一種魚(yú)鱗狀結(jié)構(gòu)，鉑以團(tuán)簇的形式無(wú)規(guī)律地沉積在石墨烯表面。XRD晶型結(jié)構(gòu)分析表明，所制備的石墨烯/TiO2是一種混晶結(jié)構(gòu)，銳鈦礦/金紅石晶相比例隨著煅燒

5、溫度的變化而變化，450℃煅燒2h所制備出的樣品，銳鈦礦相占32.3％。XPS結(jié)果表明，Pt/石墨烯/TiO2薄膜電極由Ti、O、C、Pt四種元素組成。C元素來(lái)源于石墨烯;Pt元素有三種存在形式，大部分以Pt0形式存;高溫氫還原后，C=O轉(zhuǎn)變?yōu)镃-O，部分PtO和PtO2轉(zhuǎn)變?yōu)镻t0。Pt的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.2％，Pt0的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.0％。Raman結(jié)果表明，Pt沉積在石墨烯/TiO2薄膜表面后，復(fù)合材料中的氧化石墨烯數(shù)量減少，石墨烯增

6、多。UV-vis-NIR吸收光譜表明，Pt/石墨烯/TiO2薄膜電極的光吸收范圍拓展到近紅外區(qū)域(200-2500nm)，因而可以更有效地利用可見(jiàn)光。通過(guò)能帶結(jié)構(gòu)分析，我們推斷出在TiO2的禁帶中形成兩個(gè)雜質(zhì)能級(jí)，一個(gè)是由石墨烯摻雜引入的雜質(zhì)能級(jí)，另一個(gè)是由Pt沉積引入的雜質(zhì)能級(jí)。特別是，Pt沉積后，擴(kuò)展了薄膜電極的光吸收范圍，在可見(jiàn)光下也能表現(xiàn)出較強(qiáng)地光催化性，并且增強(qiáng)了光電流，大大降低了光電催化所需時(shí)間。
　　(3)真空蒸發(fā)法

7、所需的鉑含量更少，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.2％，約為電化學(xué)沉積法的一半，且不含有Pt(Ⅱ)和Pt(Ⅳ)，僅有Pt0。在同樣的光電催化測(cè)試條件下，真空蒸發(fā)法制備的樣品在甲基橙脫色和礦化兩方面所需要的時(shí)間更少，其光電催化效率更高。
　　(4)以Pt/石墨烯/TiO2薄膜電極為工作電極的陽(yáng)極，外加偏壓4V，在日光燈下對(duì)偶氮染料甲基橙溶液(20mg/L)進(jìn)行光電催化降解，結(jié)果表明此薄膜電極對(duì)甲基橙具有極佳地脫色效果，在日光燈下，光照10min后MO