光陽極是光電催化技術(shù)的關(guān)鍵,但是目前光陽極存在光催化層結(jié)合差、比表面積小,負(fù)載的TiO₂光催化效率低等問題。采用微弧氧化技術(shù)可在鈦基體上原位生長(zhǎng)出Ti-TiO₂光陽極,但薄膜TiO₂依然存在光催化效率不足問題�；诖�,本文采用微弧氧化技術(shù),通過在電解液中添加釩鹽,在TC4鈦合金基體上制備V添加TiO₂陶瓷層,探討V添加對(duì)TiO₂陶瓷層光催化性能的影響機(jī)制。研究結(jié)果如下:V添加量為12.60at.%可形成以非晶為主的黑色陶瓷層:經(jīng)500℃×1h 退火處理后,V添加TiO₂陶瓷層Lab值由18.55變?yōu)?6.73,但仍為黑色系,陶瓷層物相以銳鈦礦和金紅石型TiO₂為主,同時(shí)還有少量V₂O₅,XPS分析V元素的價(jià)態(tài)可知,V5+占V元素的69.35%,其余的30.65%為V3+。相比于微弧氧化TiO₂陶瓷層,V-TiO₂陶瓷層在紫外-可見光照射下的吸收率為... 

【文章來源】：西安理工大學(xué)陜西省

【文章頁數(shù)】：66 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

光陽極結(jié)構(gòu)

西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文4一方面，光生空穴具有強(qiáng)氧化性可直接與吸附于表面的OH-離子與水分子反應(yīng)，生成具有強(qiáng)氧化性羥基自由基(OH)；吸附于TiO2表面的O2則與具有強(qiáng)還原性的電子反應(yīng)生成超氧離子(O2-)；這些生成的過氧化物離子和羥基具有非常強(qiáng)的氧化作用，所以當(dāng)TiO2表面附著污染物時(shí)，在紫外光的照射下在其表面生成的過氧化物就可以將這些有機(jī)污染物分解為H2O和CO2[32-33]。圖1-2TiO2的光催化反應(yīng)過程Fig.1-2PhotocatalyticreactionprocessofTiO21.3.2薄膜TiO2光催化性能的缺點(diǎn)TiO2帶隙較寬，只能被波長(zhǎng)小于388nm的紫外光（占太陽光譜總能量的4%左右）激發(fā)，太陽光可響應(yīng)光波范圍太窄，對(duì)太陽光的利用率低[34]；在光催化反應(yīng)過程中光生電子和空穴極易發(fā)生復(fù)合以熱的形式或其他能散發(fā)掉，使轉(zhuǎn)移到表面吸附物種上的電子和空穴數(shù)量大為減少，量子產(chǎn)率偏低，產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化性的羥基少。1.4薄膜TiO2光催化性能的改善方法1.4.1拓展TiO2光波響應(yīng)范圍（1）離子摻雜由半導(dǎo)體的能帶理論[35]可知，其導(dǎo)帶能級(jí)主要取決于TiO2中金屬離子Ti4+上空的d軌道能級(jí)，而價(jià)帶能級(jí)是取決于TiO2的非金屬O2-離子充滿的p軌道能級(jí)，因此我們想要減少TiO2禁帶寬度就需要提高其光催化劑的價(jià)帶電位或者降低其導(dǎo)帶電位，或者同時(shí)改變。離子摻雜分為金屬離子摻雜和非金屬離子摻雜。金屬離子摻雜[36-40]是根據(jù)金屬離子d軌道能量高，進(jìn)入O2晶格當(dāng)中形成置換固溶體或者間隙固溶體，在不改變TiO2主體晶格的前提下，改變其化學(xué)組成和電子結(jié)構(gòu)，可以提高原有Ti2d軌道的價(jià)帶電位形成雜質(zhì)能級(jí)使光生電子能很容易的被激發(fā)，使光波響應(yīng)范圍拓寬到可見光區(qū)域。摻雜元素需在鈦元素附近，半徑與Ti4+的半徑接近，還要綜合考慮它的電子軌道、電位。常用的摻雜金屬為鹵族元素，主要有Fe[

TiO2薄膜，發(fā)現(xiàn)其降解甲基橙的降解率大于未沉積Au的TiO2，這是因?yàn)锳u顆粒促進(jìn)了光生電子和空穴的分離。李粉玲[76]通過模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)能級(jí)是由Pd與O2p的軌道或Ti3d的軌道雜化形成，Pd摻雜TiO2的雜質(zhì)能級(jí)出現(xiàn)在導(dǎo)帶下方，并且費(fèi)米能級(jí)穿過了禁帶中的雜質(zhì)能級(jí)，這種雜質(zhì)能級(jí)會(huì)成為淺施主能級(jí)，提高了TiO2的光催化效率。但沉積的貴金屬易在TiO2表面發(fā)生富集，減少TiO2表面與污染物的接觸范圍，進(jìn)而降低了光催化率。（2）半導(dǎo)體復(fù)合將TiO2與其它Eg匹配但能帶結(jié)構(gòu)不同的半導(dǎo)體進(jìn)行復(fù)合的過程，稱為半導(dǎo)體復(fù)合，其光催化原理如圖1-3所示[77-78]當(dāng)被太陽光激發(fā)時(shí)，空穴從價(jià)帶電勢(shì)較高的一個(gè)半導(dǎo)體遷移到另一個(gè)半導(dǎo)體的價(jià)帶上，電子從導(dǎo)帶電勢(shì)較低的一個(gè)半導(dǎo)體遷移到另一個(gè)半導(dǎo)體的導(dǎo)帶上，這樣可以使光生電子和空穴分別處在兩個(gè)不同的半導(dǎo)體上，減小了光生電子與空穴的復(fù)合，提高了載流子密度，從而增大了TiO2的光催化效率。圖1-3復(fù)合半導(dǎo)體的光催化原理Fig.1-3Photocatalyticprincipleofcompositesemiconductor復(fù)合半導(dǎo)體有兩種：寬帶隙半導(dǎo)體復(fù)合和窄帶隙半導(dǎo)體復(fù)合。比TiO2禁帶寬度寬的寬帶隙半導(dǎo)體復(fù)合只是促進(jìn)了兩個(gè)半導(dǎo)體相互之間的光生電子與空穴的分離，提高載流子密度。而比TiO2禁帶寬度窄的窄帶隙半導(dǎo)體復(fù)合不僅促進(jìn)了兩個(gè)半導(dǎo)體之間光生電子與空穴的分離，提高載流子密度，而且還由于窄帶隙半導(dǎo)體可以吸收比TiO2可吸收波長(zhǎng)更長(zhǎng)的光波，因此窄帶隙半導(dǎo)體與TiO2復(fù)合的薄膜可以拓寬光波響應(yīng)范圍至可見光。

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