納米TiO2調(diào)制結(jié)構(gòu)對表面物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量傳遞的影響研究.pdf

1、能源和環(huán)境問題是人類面臨的重要和亟待解決的問題。如何開發(fā)新型環(huán)保清潔的能源材料，同時解決環(huán)境污染問題成為急需面對的現(xiàn)實問題。作為一種重要的半導(dǎo)體材料，TiO2被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，其中包括作為光催化劑實現(xiàn)光能向其他能量形式的轉(zhuǎn)化，以及作為燃料電池中的電催化劑，促進(jìn)化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)化等。
　　針對納米TiO2半導(dǎo)體制備工藝復(fù)雜、帶隙能過高、光生載流子利用率過低的現(xiàn)狀，本文研究了納米TiO2的制備新工藝，及N、F元素?fù)诫s等因素對納米T

2、iO2結(jié)構(gòu)和光能轉(zhuǎn)化利用效率的影響，在此基礎(chǔ)上，研究了外加直流電場對納米TiO2光轉(zhuǎn)化利用效率的影響，并對機理進(jìn)行了討論推斷。最后，將納米TiO2負(fù)載到還原氧化石墨烯(rGO)片層上，制備無金屬TiO2/rGO復(fù)合材料，用作燃料電池陰極氧還原催化劑。進(jìn)一步將這種復(fù)合材料作為貴金屬Pt、Pd及Pt-Pd合金的載體，制備了負(fù)載少量貴金屬的TiO2/rGO復(fù)合催化材料，并研究了復(fù)合材料在堿性條件下電催化氧還原的性能。材料的形貌和結(jié)構(gòu)用X射線衍

3、射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、高倍透射電鏡(HRTEM)、紫外-可見漫反射光譜(UV-Vis)、熒光發(fā)射光譜(FES)、拉曼光譜(RM)、X射線光電子能譜(XPS)等進(jìn)行表征。材料對光能的轉(zhuǎn)化與利用以材料對亞甲藍(lán)的降解效果進(jìn)行表征，分別采用紫外光源、可見光源照射及外加直流電場輔助的方法。材料的電化學(xué)性能用循環(huán)伏安法(CV)、Tafel測試法、計時電流(i-t)法等方法進(jìn)行測試，材料的電催化氧還原機理用旋轉(zhuǎn)圓盤電極

4、(RDE)法和旋轉(zhuǎn)環(huán)盤電極(RRDE)法進(jìn)行測試討論。
　　研究結(jié)果如下:
　　(1)用溫和的水熱一步合成法于200℃合成了幾種納米TiO2樣品:A-TiO2(銳鈦礦型納米TiO2)、R-TiO2(金紅石型納米TiO2)、N-F-TiO2(N及F元素共摻雜的銳鈦礦型納米TiO2)和N-TiO2(N元素?fù)诫s的銳鈦礦型納米TiO2)。通過改變簡單的制備條件，可以制備不同晶型和不同組分含量的納米TiO2。
　　(2) N-F

5、-TiO2和N-TiO2粒徑小、光響應(yīng)范圍廣，光生載流子的復(fù)合率低，摻雜后的納米TiO2在可見光區(qū)域有較強吸收，可以充分轉(zhuǎn)化并利用可見光對廢水中的染料色素進(jìn)行降解，在利用陽光降解污染物的水處理中有巨大的應(yīng)用潛能。
　　(3)外加電場導(dǎo)致納米TiO2光能利用效率整體降低，可能是由于外加電場所產(chǎn)生的正、負(fù)電荷分別與部分光生載流子中和，導(dǎo)致了光生載流子的損失。對實驗數(shù)據(jù)的一級動力學(xué)模擬表明，在本實驗條件下，各反應(yīng)均符合Langmuir-

6、Chinshelwood動力學(xué)模式，反應(yīng)為一級反應(yīng)。
　　(4)用簡單的水熱一步法制備了無金屬的rGO負(fù)載納米TiO2顆粒的TiO2/rGO復(fù)合電催化材料，TiO2/rGO復(fù)合催化材料的初始電催化氧還原電位為-0.2 V左右，相對應(yīng)的氧還原電子轉(zhuǎn)移數(shù)為3.98，為4電子反應(yīng)過程。TiO2/rGO復(fù)合催化材料具有與傳統(tǒng)的Pt(20％)/C催化材料相似的電催化活性和更高的電化學(xué)穩(wěn)定性，可以將燃料的化學(xué)能高效穩(wěn)定的轉(zhuǎn)化為電能。
　

7、　(5) Pt/TiO2/rGO，Pd/TiO2/rGO，Pt-Pd/TiO2/rGO復(fù)合催化材料的初始氧還原電位也在-0.2 V左右，三種材料的交換電流密度均在10-6-10-5mA/cm2之間，與商業(yè)Pt(20％)/C材料相似。經(jīng)過16，000 s的循環(huán)后，電流密度仍為初始值的90％，而相同條件下業(yè)Pt(20％)/C材料的電流密度僅為初始值是的74％。TiO2/rGO復(fù)合催化材料與負(fù)載少量貴金屬的TiO2/rGO復(fù)合催化材料在電催化