改性TiO2納米管陣列的制備及其光電催化性能研究.pdf

1、研發(fā)綠色的降解污染物及生產(chǎn)清潔能源的材料和技術(shù)，是有效解決全世界所面臨的環(huán)境問題的關(guān)鍵。而TiO2光(電)催化技術(shù)是一種利用太陽能的理想環(huán)境污染治理技術(shù)。采用陽極氧化法制備得到的TiO2納米管因具有比表面積大，高度有序的一維多孔結(jié)構(gòu)，電子傳遞速率快，而成為光（電）催化的熱點材料。但TiO2納米管只能在紫外光區(qū)有響應(yīng)，并且光生電子空穴容易復(fù)合，限制了其實際應(yīng)用。
　　本文通過陽極氧化法制備了一系列的TiO2納米管，然后在此基礎(chǔ)上利用

2、納米貴金屬的等離子體共振效應(yīng)及摻雜和半導(dǎo)體復(fù)合來提高TiO2納米管的可見光光電催化活性，并制備出一系列具有可見光響應(yīng)的TiO2納米管基光催化材料。采用X射線衍射儀（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、紫外可見漫反射光譜（DRS）、傅立葉紅外（FTIR）等技術(shù)對光電催化材料的形貌和相組成進(jìn)行了研究，揭示材料的微觀結(jié)構(gòu)與光電催化活性的關(guān)系。采用瞬時光電流、交流阻抗法等分析光電催化材料的光電化學(xué)性能。并通過難降解有機(jī)污染物的光電催化降解和大腸

3、桿菌的失活實驗驗證了材料的光電催化活性。最后對其組成的光催化廢水燃料電池的運行機(jī)理進(jìn)行了探討。本文的主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下：
　　（1）等離子共振Ag/AgCl/TiO2納米管的制備及其可見光光電催化活性的研究。通過電化學(xué)沉積方法成功地制備了具有可見光響應(yīng)的Ag/AgCl/TiO2納米管。與TiO2納米管相比，Ag/AgCl/TiO2納米管在可見光下更有效地將微囊藻毒素（MC-LR）去除，光電催化5 h后MC-LR的降解效率可達(dá)9

4、2％。通過加入不同的活性氧化物(ROS)捕獲劑對光電催化降解MC-LR的機(jī)理進(jìn)行探討，結(jié)果表明h+、?OH和 O2??對MC-LR均有降解作用。另外，對影響MC-LR的降解因素，如溶液的pH和陰離子種類進(jìn)行了研究，表明Cl–的存在和酸性條件都有利于MC-LR的降解。
　?。?）自摻雜TiO2納米管的制備及其可見光光電催化活性的研究。采用電化學(xué)還原的方法可以成功地將 Ti3+引入到 TiO2納米管的晶格中，制備出了具有可見光響應(yīng)的自

5、摻雜TiO2納米管。該材料在可見光下對水中的污染物，如羅丹明B，苯酚和 E. coli K-12具有更強(qiáng)的去除效果。XRD和 XPS的表征結(jié)果表明還原電壓為?1.2到?1.5 V時，TiO2晶格中可以形成氧空位和Ti3+摻雜。與未處理TiO2納米管相比，經(jīng)電化學(xué)還原以后的TiO2納米管的光電催化活性在可見光和紫外光區(qū)域均有提高。另外，在電壓為?1.3 V下還原10 min所制備的自摻雜納米管光電流最大，約提高了250%。交流阻抗的研究結(jié)

6、果表明自摻雜后的納米管導(dǎo)電性顯著提高。TiO2納米管光電催化活性的提高主要是由于材料的導(dǎo)電性和其對可見光的吸收增強(qiáng)所致。
　?。?）Z型g-C3N4–Ti3+/TiO2納米管復(fù)合材料的制備及其可見光光電催化活性的研究。在電化學(xué)自摻雜的基礎(chǔ)上，通過熱處理將g-C3N4負(fù)載在TiO2納米管上制備了具有可見光響應(yīng)的g-C3N4–Ti3+/TiO2納米管復(fù)合光電催化材料。采用XRD，F(xiàn)TIR，XPS，SEM和 DRS等技術(shù)對催化劑進(jìn)行表征

7、。研究表明該方法可以將 g-C3N4成功地負(fù)載在納米管上，同時也可以將Ti3+引入到TiO2的晶格中。g-C3N4–Ti3+/TiO2納米管的光電催化性能與g-C3N4的含量有關(guān)，通過優(yōu)化g-C3N4的含量，催化劑的可見光光電流比 TiO2提高了4倍。另外，對苯酚的降解效率由23.4%提升到了74%。g-C3N4–Ti3+/TiO2納米管的光電催化活性的提高主要是由于g-C3N4的復(fù)合和Ti3+的引入不僅增強(qiáng)了材料對可見光的吸收，而且提

8、高了材料的導(dǎo)電性，加快了電子的傳遞速率，有效的降低了光生電子?空穴對的分離。此外，光生電子-空穴對在異質(zhì)結(jié)構(gòu)的界面上是以Z-機(jī)制轉(zhuǎn)移，即TiO2上的光生電子轉(zhuǎn)移到g-C3N4的價帶并與其光生空穴結(jié)合，使具有強(qiáng)氧化能力的空穴（TiO2的價帶）和強(qiáng)還原能力的電子（g-C3N4的導(dǎo)帶）參與到污染物的氧化還原中。
　?。?）PANI/TiO2?CuO/Co3O4可見光光催化廢水燃料電池的構(gòu)建及催化性能的研究。為了使光陽極材料實現(xiàn)有機(jī)物降解

9、與電能回收的一體化，通過直接連接可見光光陽極 PANI/TiO2納米管和可見光光光陰極 CuO/Co3O4材料，組成可見光光催化廢水燃料電池體系 PANI/TiO2?CuO/Co3O4。該體系在催化降解污染物的同時可以將光能轉(zhuǎn)化為電能。在可見光的照射下，PANI/TiO2的費米能級高于CuO/Co3O4，能形成穩(wěn)定的內(nèi)偏壓（0.24 V）。在該偏壓的作用下，光陽極的光生電子經(jīng)外電路轉(zhuǎn)移到光陰極，并與光陰極的空穴復(fù)合，實現(xiàn)了光陽極的空穴分