TiO2納米管陣列光催化降解有機(jī)污染物和光電解水制氫研究.pdf

1、納米結(jié)構(gòu)TiO2作為一種新型的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體功能材料，在光解水制氫、光催化降解有機(jī)污染物、太陽(yáng)能電池、生物材料和氣敏傳感器等領(lǐng)域顯示出了極大的應(yīng)用前景。特別是納米TiO2光照下的強(qiáng)氧化性、無(wú)毒、長(zhǎng)期光化學(xué)穩(wěn)定性、能級(jí)與水的氧化還原電位相匹配等特性，使其在凈化環(huán)境和光電催化分解水方面具有誘人的發(fā)展前景。與TiO2納米顆粒薄膜相比，利用陽(yáng)極氧化法在Ti基底表面制備的TiO2納米管陣列具有高度有序的納米管陣列結(jié)構(gòu)，優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換性能和良好的化學(xué)穩(wěn)

2、定性，且通過(guò)調(diào)節(jié)制備參數(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)TiO2納米管陣列形貌、管徑、管壁厚度、管長(zhǎng)和晶型的可控制備，從而能夠滿足更高的性能要求。銳鈦礦型TiO2的禁帶寬度為3.2 eV，只能被紫外光激發(fā)。一方面，TiO2納米管陣列的紫外光光催化效率仍然較低;另一方面，TiO2納米管陣列只能吸收波長(zhǎng)小于387.5 nm的太陽(yáng)光，太陽(yáng)能利用率低，且光生電子-空穴對(duì)復(fù)合率高，光電轉(zhuǎn)換效率和量子效率較低。因此，研究者們一直在努力探索多種方法提高其光催化效率和太陽(yáng)能利

3、用率。
　　本文旨在一方面通過(guò)TiO2納米管陣列協(xié)同F(xiàn)enton試劑光催化降解有機(jī)污染物，提高TiO2納米管陣列的光催化效率，另一方面對(duì)TiO2納米管陣列進(jìn)行NiO納米顆粒修飾，抑制其光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合，提高光催化降解有機(jī)污染物的效率和光電解水產(chǎn)氫速率。采用一次電化學(xué)陽(yáng)極氧化法制備高度有序的TiO2納米管陣列，將其光催化作用與 Fenton試劑的高級(jí)氧化作用相結(jié)合，加速有機(jī)污染物的光催化降解;采用三次電化學(xué)陽(yáng)極氧化法構(gòu)筑了排列

4、規(guī)整有序的TiO2納米管陣列，并分別采用超聲輔助浸漬法和化學(xué)浴循環(huán)浸漬法對(duì)其進(jìn)行NiO納米顆粒修飾，降低光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合幾率，提高TiO2納米管陣列的光催化降解速率和光電催化產(chǎn)氫速率。利用SEM、TEM、EDX、XRD、XPS、UV-vis漫反射譜、PL光譜、光電流譜等對(duì)納米管陣列的表面形貌、組成成分、晶型結(jié)構(gòu)、光吸收性能、光電化學(xué)活性等進(jìn)行表征，并通過(guò)對(duì)甲基橙(MO)、亞甲基藍(lán)(MB)的降解和光電解水制氫的應(yīng)用，考察其光催化活性

5、與光電轉(zhuǎn)換性能。主要工作及研究進(jìn)展如下:
　　1.在HF體系中，采用電化學(xué)一次陽(yáng)極氧化法在鈦基底表面制備了高密度、排列有序的TiO2納米管陣列，并且以MO水溶液為目標(biāo)污染物，研究TiO2納米管陣列協(xié)同F(xiàn)enton試劑的光催化性能。發(fā)現(xiàn)在復(fù)合體系中TiO2納米管陣列與Fenton試劑之間存在協(xié)同效應(yīng)，二者的協(xié)同作用提高了TiO2納米管陣列的光催化效率，降低了Fenton試劑的用量，MO的降解速率顯著提高。研究表明，在pH=2.0時(shí)，

6、TiO2納米管陣列協(xié)同F(xiàn)enton試劑光催化降解效率達(dá)到二者理論算數(shù)加和的1.2倍，顯示出分別單獨(dú)使用所不具有的優(yōu)勢(shì)。
　　2.在乙二醇體系中，利用三次陽(yáng)極氧化技術(shù)制得了高度有序、表面光滑、極為規(guī)整的TiO2納米管陣列，并應(yīng)用超聲輔助浸漬法在TiO2納米管陣列表面修飾了高度分散、尺寸可控的NiO納米顆粒，獲得NiO納米顆粒修飾的TiO2納米管陣列。研究發(fā)現(xiàn)，NiO納米顆粒修飾的TiO2納米管陣列具有良好的光響應(yīng)。光催化降解MB水溶

7、液的結(jié)果表明，在紫外光照射下超聲浸漬1.0 h得到的NiO納米顆粒修飾的TiO2納米管陣列在紫外光照射下光催化活性明顯增強(qiáng)，其光催化降解MB的速率比純TiO2納米管陣列提高了1.9倍。
　　3.應(yīng)用化學(xué)浴循環(huán)浸漬法在高度有序的TiO2納米管陣列表面和管內(nèi)沉積了分布均勻、粒徑可控的NiO納米顆粒。在三電極光電解池中，利用NiO納米顆粒修飾的TiO2納米管陣列光電解水制氫，研究表明，由于p型NiO和n型TiO2的p-n結(jié)作用，NiO納