TiO-,2-及硅摻雜TiO-,2-納米結(jié)構(gòu)膜電極的制備及其光電催化性能研究.pdf

1、TiO2光催化氧化技術(shù)是一種有效的環(huán)境污染控制技術(shù)，近年來(lái)受到廣泛的關(guān)注。負(fù)載型的TiO2納米膜可以解決粉體光催化劑的分離和回收困難等問題，但是較低的比表面積使其光催化活性降低，從而限制了它的實(shí)際應(yīng)用。本論文以提高TiO2納米膜光催化效率為目的，制備了銳鈦礦納米顆粒膜和納米線膜，研究了不同結(jié)構(gòu)材料的可控性制備條件及其光催化性能；通過(guò)對(duì)TiO2納米管陣列膜進(jìn)行元素硅的摻雜改性，提高TiO2的紫外光催化效率；同時(shí)，采用光電催化氧化技術(shù)阻止光

2、生電子和空穴的簡(jiǎn)單復(fù)合，有效提高了TiO2納米結(jié)構(gòu)膜的光催化量子產(chǎn)率。本論文圍繞以上內(nèi)容，主要開展了以下幾個(gè)方面的工作：
　　 (1)采用兩步水熱處理在鈦基底上直接制備了銳鈦礦TiO2納米結(jié)構(gòu)(納米顆粒或納米線)膜電極。較低的水熱溫度下，制備得到由平均粒徑小于15 nm的立方體和菱形體組成的銳鈦礦納米顆粒膜；較高的水熱溫度下，制備得到由單分散的銳鈦礦納米晶體和銳鈦礦納米晶體團(tuán)聚體的集合體所組成的銳鈦礦納米線膜。X射線衍射( XR

3、D)分析顯示兩種銳鈦礦納米結(jié)構(gòu)膜均具有較高的銳鈦礦結(jié)晶度；銳鈦礦納米結(jié)構(gòu)膜所展現(xiàn)的顯著的表面光電壓響應(yīng)和光電流密度表明它們具有很好的光電化學(xué)能力；紫外光照下，用銳鈦礦納米顆粒膜和納米線膜對(duì)苯酚光電催化降解的動(dòng)力學(xué)常數(shù)分別是致密TiO2膜的2.2倍和3.4倍，并且苯酚的光催化和電化學(xué)過(guò)程之間存在著顯著的協(xié)同效應(yīng)。
　　 (2)采用液相進(jìn)樣的化學(xué)氣相沉積(CVD)法在鈦基底上制備了硅摻雜TiO2納米膜電極。這種液相進(jìn)樣的氣相沉積過(guò)程

4、所制備膜的平均沉積速率至少是由其它氣相沉積過(guò)程所制備TiO2膜沉積速率的10倍，而且元素硅在TiO2膜中的摻雜量可以通過(guò)調(diào)配前驅(qū)體溶液中硅源的量而得以控制。實(shí)驗(yàn)分析表明元素硅摻雜到TiO2納米膜中，形成Si-O-Ti鍵，提高了TiO2納米膜的熱穩(wěn)定性，使得TiO2在高溫煅燒下仍具有較小的銳鈦礦晶粒、更好的結(jié)晶度和提高的紫外光響應(yīng)。與未摻雜的TiO2納米膜相比，硅摻雜量為5 at.％的TiO2納米膜在紫外光下降解苯酚的過(guò)程中展現(xiàn)了更高的光

5、催化和光電催化活性，其降解苯酚的動(dòng)力學(xué)常數(shù)分別是未摻雜TiO2納米膜的1.3和1.8倍。
　　 (3)以電化學(xué)陽(yáng)極氧化制備的TiO2納米管陣列為基底，應(yīng)用化學(xué)氣相沉積法制備了硅摻雜TiO2納米管陣列膜電極。該電極具有高度有序的納米管陣列結(jié)構(gòu)，平均管長(zhǎng)約為1μm；X射線光電子能譜(XPS)分析表明硅原子摻雜到TiO2晶格中，形成Si-O-Ti鍵；XRD分析表明，硅摻雜能夠抑制TiO2的銳鈦礦向金紅石相的轉(zhuǎn)換，并減小TiO2納米管的

6、粒徑；硅摻雜TiO2納米管的吸收邊帶相對(duì)于TiO2納米管藍(lán)移了13 nm，且在紫外光區(qū)的吸收也明顯增強(qiáng)；紫外光照下，硅摻雜納米管陣列膜表面顯示了超親水性能。光電催化實(shí)驗(yàn)表明，硅摻雜TiO2納米管陣列電極對(duì)五氯酚的光電催化降解效率比未摻雜的TiO2電極提高了84.8％。此外，應(yīng)用直接電化學(xué)陽(yáng)極氧化法制備了不同硅摻雜量的TiO2納米管陣列電極。該法既可實(shí)現(xiàn)元素硅摻雜，又可同時(shí)形成納米管陣列，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)過(guò)程。硅原子摻雜到TiO2晶格中，形成S

7、i-O-Ti鍵，并保持了納米管陣列的形貌；硅摻雜可提高TiO2的熱穩(wěn)定性，促使TiO2在高溫煅燒下仍以銳鈦礦相為主，提高了銳鈦礦相結(jié)晶度并形成小尺寸的銳鈦礦微晶；硅摻雜也提高了TiO2納米管在紫外區(qū)的光吸收能力。相同實(shí)驗(yàn)條件下，所有硅摻雜電極的紫外光電流密度均高于未摻雜的TiO2電極，其中硅摻雜量為4.2 at.％的電極性能最好，對(duì)五氯酚的光電催化降解率也最高。
　　 以上結(jié)果表明，制備具有獨(dú)特構(gòu)造的TiO2納米結(jié)構(gòu)膜及對(duì)TiO