TiO-,2-用于鋅-空氣電池陰極催化劑和光催化劑研究.pdf

1、隨納米科學技術的迅速發(fā)展,納米材料已成為人們研究的焦點.粒徑在1～100nm的TiO<,2>具有特殊的優(yōu)異性能,如表面效應、量子尺寸效應、光學性能等,因此納米TiO<,2>的應用性研究具有很大的潛在價值.本文將納米TiO<,2>用于鋅空氣電池陰極的新型催化劑和光催化劑進行研究.采用廉價TiCl<,4>;一步水蒸氣水解法制備納米TiO<,2>,與一般的制備納米TiO<,2>方法不同的是TiCl<,4>被活性炭(AC)均勻吸附水解的同時實現(xiàn)

2、了TiO<,2>的均勻負載分布,免去了先制備TiO<,2>溶膠或納米顆粒后再負載的繁瑣過程,且在煅燒時可有效地防止TiO<,2>粒子的團聚.本文工作包括催化劑的制備、空氣電極的制備和放電性能、TiO<,2>/AC懸浮液光催化性能和TiO<,2>粉經(jīng)電泳沉積到空氣電極上的光電催化性能研究,探討了TiO<,2>對O<,2>還原的催化作用及光催化性能的影響因素. 本文采用X射線衍射譜(XRD)、傅立葉紅外光譜(FTIR)材料分析測試手

3、段和線性極化、交流阻抗電化學實驗方法對粒子的大小、物相、表面鍵合情況和堿性溶液中半導體催化劑的電極性能進行了分析研究,優(yōu)化了空氣電極的各成分用量和工藝參數(shù),提高了電極性能,用穩(wěn)態(tài)極化曲線法和恒電流放電法測試電極性能,通過苯酚的光催化降解對催化劑的光催化性能的影響因素進行了考察分析. 結果表明,催化劑在400℃煅燒,TiO<,2>粒徑約為16.5nm,且為結構活性的銳鈦礦型,催化劑表面有部分化學鍵Ti-O-C鍵生成,且結合牢固.

4、 TiO<,2>/AC用作空氣電極催化劑時,從空氣電極的組成配比和基礎工藝入手,研究了催化層、透氣層的組成,AC的預處理、晶型轉化溫度、成型壓力、煅燒溫度等制備工藝條件對空氣電極性能的影響,為后續(xù)工作打好基礎.經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),空氣電極的性能與其組成和制備工藝有著密切的關系,采用下述條件制備的空氣擴散電極具有較好的綜合性能. 電極組成及配比:采用100目銅網(wǎng)作集流導電網(wǎng),膜制備過程中各組分用量分別為:5mL聚四氟乙烯乳液(PTF

5、E),10mL TiCl<,4>,3 mL聚乙二醇(PEG600),11～13ml無水乙醇(AEG),0.8mg乙炔黑.空氣電極的制備工藝:催化劑在400℃時晶型轉化為完美銳鈦礦型,電極成型壓力為25MPa,冷壓時間為30～60s,成型電極經(jīng)340℃煅燒30min,疏水13h,可消除PTFE的影響,在電極內(nèi)部形成網(wǎng)絡狀孔洞,使電極的疏水透氣效果明顯;最終制得電極厚度為0.53mm時,電極性能較好.用稀HNO<,3>處理AC,除去AC中的

6、摻和物和灰份,經(jīng)過篩優(yōu)化后300目AC作基體時電極性能較好. 性能測試:電極EIS研究表明,催化劑對氧的還原具有一定的催化作用,三相界面O<,2>的擴散和反應粒子的傳質(zhì)過程為控制步驟;電池放電性能平穩(wěn),電流密度在150mA/cm<'2>時端電壓保持在0.8V以上,且穩(wěn)定時間較長. TiO<,2>/AC粉末用作光催化劑首先在懸浮液體系中對苯酚的光催化降解.研究表明,粉末30min左右建立吸附平衡,粉末催化劑在下列條件下具有較高的光催化效率

7、:催化劑中TiO<,2>百分含量(wTiO<,2>)95﹪左右;苯酚初始濃度為10mg/L左右;催化劑用量為1mg/mL左右;H<,2>O<,2>初始濃度為50mg/L左右;pH=5左右時具有較大的光催化效率,且受pH的變化影響不大. 本文還以異丙醇作有機相分散介質(zhì),采用電泳沉積方法將水解制得的TiO<,2>粉末負載到空氣電極上,實現(xiàn)了光催化劑的固定化,制備了TiO<,2>光陽極,解決了懸浮液光催化體系的固液分離困難的問題.通過輸入外加

8、電壓,電子通過外電路流到陰極,使空穴轉移到催化劑表面,這種較好的電荷分離情形大大降低了電子一空穴對的復合幾率,極大地提高了對苯酚的降解效率.研究表明,合適的電場強度是制備高性能薄膜的前提條件.電泳電壓在30V左右,電泳時間在5min左右時的電泳膜具有較高的光催化效率.光陽極30min左右催化劑建立吸附平衡,在下述條件下具有較高的光電催化效率:外加陽極偏壓在0.25V左右;H<,2>O<,2>初始濃度為50～100mg/L左右;pH=5左