鑭或氮摻雜TiO2-Ti光電極制備及可見(jiàn)光下光電催化性能研究.pdf

1、本論文針對(duì) TiO2催化劑對(duì)太陽(yáng)光利用率低的問(wèn)題，采用陽(yáng)極氧化法制備出TiO2/Ti光電極，并通過(guò)鑭元素和氮元素的摻雜制備出改性的La-TiO2/Ti和N-TiO2/Ti光電極，拓展了 TiO2對(duì)可見(jiàn)光的響應(yīng)范圍，同時(shí)對(duì)水中內(nèi)分泌干擾素類物質(zhì)-甲草胺的去除性能進(jìn)行了研究。
　　與常用的溶膠-凝膠法相比，陽(yáng)極氧化法具有操作工藝簡(jiǎn)單、膜與基體結(jié)合牢固、不易脫落、膜層均勻等優(yōu)點(diǎn)。在陽(yáng)極氧化的過(guò)程中，通過(guò)向 H2SO4電解質(zhì)溶液中添加 L

2、a(NO3)3的形式制備鑭摻雜的TiO2/Ti光電極，并對(duì)工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化，重點(diǎn)考察了摻雜物的濃度、電壓對(duì)改性 TiO2/Ti光電極性能的影響，其最佳的制備條件為制備電壓160V，La(NO3)3的濃度為800mg/L。
　　針對(duì)在制備電極的氧化過(guò)程中進(jìn)行氮的摻雜較為困難，含氮化合物很難直接進(jìn)入到 TiO2膜層中的問(wèn)題，采用等離子體基離子注入技術(shù)(PII)，以陽(yáng)極氧化法制備的TiO2/Ti光電極為基體，制備了氮摻雜的TiO2/T

3、i光電極，其最佳的制備條件為制備電壓160V，離子注入電壓-30KV，注氮?jiǎng)┝?×1015N/cm2。
　　利用掃描電鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)、X-射線衍射光譜(XRD)、X-射線光電子能譜(XPS)、紫外-可見(jiàn)漫反射光譜(UV-vis DRS)、表面光電壓譜(SPS)和電化學(xué)的方法等分析手段，對(duì)摻雜前后所得 TiO2/Ti光電極表面形貌、晶體結(jié)構(gòu)、晶粒大小、表面成分和化學(xué)形態(tài)、吸收光譜、表面光電性能等進(jìn)行了分析。研究

4、結(jié)果表明，鑭元素在 TiO2薄膜的表面以 La2O3的形式存在，在界面處鈦原子代替氧化鑭晶格中的鑭原子，形成 Ti-O-La的鍵合；氮元素主要以三種形態(tài)存在于TiO2的晶格或分子間隙之中，即β-N、γ-N和O-Ti-N。兩種改性的TiO2/Ti光電極對(duì)可見(jiàn)光的響應(yīng)范圍都有所提高，相對(duì)于未改性的TiO2/Ti光電極，二者對(duì)染料廢水的代表物質(zhì)-羅丹明B的降解效果較好。
　　用氮摻雜TiO2/Ti光電極對(duì)飲用水中的內(nèi)分泌干擾物質(zhì)-甲草胺

5、的光電催化氧化過(guò)程進(jìn)行了研究，建立了準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。研究的結(jié)果顯示，影響甲草胺光電催化降解的因素由強(qiáng)至弱的順序?yàn)椋汗庠吹妮椪諒?qiáng)度＞催化劑的面積＞甲草胺的初始濃度＞外加偏壓。運(yùn)用第一性原理對(duì)氮摻雜TiO2/Ti光電極的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，計(jì)算結(jié)果表明氮摻雜后 TiO2的能帶結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了雜質(zhì)能級(jí)，使其禁帶寬度變窄，從而導(dǎo)致 TiO2吸收光譜的紅移，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值符合較好。
　　通過(guò)電助光催化的方法研究了恒電流法和恒電壓法對(duì)甲草胺的

6、降解效率，并證實(shí)了在光催化和電催化之間存在協(xié)同效應(yīng)，反應(yīng)溶液中加入 Na2SO4電解質(zhì)后，SO42-可以被價(jià)帶空穴氧化成強(qiáng)氧化性的S2O82-，繼而可以氧化處理物質(zhì)，提高甲草胺的降解效率。利用熒光法研究了 TiO2/Ti光電極光電催化降解過(guò)程中·OH的生成規(guī)律。采用液-質(zhì)聯(lián)機(jī)(LC-MS)對(duì)甲草胺光電催化降解過(guò)程中的中間產(chǎn)物進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明：甲草胺在羥基自由基的作用下通過(guò)羥基化作用和脫烷作用，發(fā)生斷鍵、開(kāi)環(huán)等一系列的氧化還原反