本文關(guān)鍵詞：納米TiO_2調(diào)制結(jié)構(gòu)對表面物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量傳遞的影響研究

  更多相關(guān)文章： 納米TiO_2 光催化 電催化 活性 穩(wěn)定性

【摘要】：能源和環(huán)境問題是人類面臨的重要和亟待解決的問題。如何開發(fā)新型環(huán)保清潔的能源材料,同時解決環(huán)境污染問題成為急需面對的現(xiàn)實(shí)問題。作為一種重要的半導(dǎo)體材料,TiO2被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè),其中包括作為光催化劑實(shí)現(xiàn)光能向其他能量形式的轉(zhuǎn)化,以及作為燃料電池中的電催化劑,促進(jìn)化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)化等。針對納米TiO2半導(dǎo)體制備工藝復(fù)雜、帶隙能過高、光生載流子利用率過低的現(xiàn)狀,本文研究了納米TiO2的制備新工藝,及N、F元素?fù)诫s等因素對納米Ti02結(jié)構(gòu)和光能轉(zhuǎn)化利用效率的影響,在此基礎(chǔ)上,研究了外加直流電場對納米TiO2光轉(zhuǎn)化利用效率的影響,并對機(jī)理進(jìn)行了討論推斷。最后,將納米TiO2負(fù)載到還原氧化石墨烯(rGO)片層上,制備無金屬TiO2/rGO復(fù)合材料,用作燃料電池陰極氧還原催化劑。進(jìn)一步將這種復(fù)合材料作為貴金屬Pt、Pd及Pt-Pd合金的載體,制備了負(fù)載少量貴金屬的TiO2/rGO復(fù)合催化材料,并研究了復(fù)合材料在堿性條件下電催化氧還原的性能。材料的形貌和結(jié)構(gòu)用X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、高倍透射電鏡(HRTEM)、紫外-可見漫反射光譜(UV-Vis)、熒光發(fā)射光譜(FES)、拉曼光譜(RM)、X射線光電子能譜(XPS)等進(jìn)行表征。材料對光能的轉(zhuǎn)化與利用以材料對亞甲藍(lán)的降解效果進(jìn)行表征,分別采用紫外光源、可見光源照射及外加直流電場輔助的方法。材料的電化學(xué)性能用循環(huán)伏安法(CV)、Tafel測試法、計(jì)時電流(i-t)法等方法進(jìn)行測試,材料的電催化氧還原機(jī)理用旋轉(zhuǎn)圓盤電極(RDE)法和旋轉(zhuǎn)環(huán)盤電極(RRDE)法進(jìn)行測試討論。研究結(jié)果如下：(1)用溫和的水熱一步合成法于200℃合成了幾種納米TiO2樣品：A-TiO2(銳鈦礦型納米TiO2)、R-TiO2(金紅石型納米TiO2)、N-F-TiO2(N及F元素共摻雜的銳鈦礦型納米TiO2)和N-TiO2(N元素?fù)诫s的銳鈦礦型納米TiO2)。通過改變簡單的制備條件,可以制備不同晶型和不同組分含量的納米TiO2。(2)N-F-TiO2和N-TiO2粒徑小、光響應(yīng)范圍廣,光生載流子的復(fù)合率低,摻雜后的納米Ti02在可見光區(qū)域有較強(qiáng)吸收,可以充分轉(zhuǎn)化并利用可見光對廢水中的染料色素進(jìn)行降解,在利用陽光降解污染物的水處理中有巨大的應(yīng)用潛能。(3)外加電場導(dǎo)致納米Ti02光能利用效率整體降低,可能是由于外加電場所產(chǎn)生的正、負(fù)電荷分別與部分光生載流子中和,導(dǎo)致了光生載流子的損失。對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一級動力學(xué)模擬表明,在本實(shí)驗(yàn)條件下,各反應(yīng)均符合Langmuir-Chinshelwood動力學(xué)模式,反應(yīng)為一級反應(yīng)。(4)用簡單的水熱一步法制備了無金屬的rGO負(fù)載納米Ti02顆粒的TiO2/rGO復(fù)合電催化材料,TiO2/rGO復(fù)合催化材料的初始電催化氧還原電位為-0.2 V左右,相對應(yīng)的氧還原電子轉(zhuǎn)移數(shù)為3.98,為4電子反應(yīng)過程。TiO2/rGO復(fù)合催化材料具有與傳統(tǒng)的Pt(20%)/C催化材料相似的電催化活性和更高的電化學(xué)穩(wěn)定性,可以將燃料的化學(xué)能高效穩(wěn)定的轉(zhuǎn)化為電能。(5) Pt/TiO2/rGO, Pd/TiO2/rGO, Pt-Pd/TiO2/rGO復(fù)合催化材料的初始氧還原電位也在-0.2 V左右,三種材料的交換電流密度均在10-6-10-5 mA/cm2之間,與商業(yè)Pt(20%)/C材料相似。經(jīng)過16,000 s的循環(huán)后,電流密度仍為初始值的90%,而相同條件下業(yè)Pt(20%)/C材料的電流密度僅為初始值是的74%。TiO2/rGO復(fù)合催化材料與負(fù)載少量貴金屬的TiO2/rGO復(fù)合催化材料在電催化氧還原的過程中展示出優(yōu)良的電催化性能,是可以應(yīng)用于燃料電池中的一種非常有潛力的電催化材料。
【關(guān)鍵詞】：納米TiO_2 光催化 電催化 活性 穩(wěn)定性
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ134.11;TB383.1
【目錄】：

• 摘要11-13
• ABSTRACT13-16
• 第1章 緒論16-42
• 1.1 研究背景與意義16-19
• 1.2 二氧化鈦對光能的轉(zhuǎn)化與利用19-31
• 1.2.1 光催化技術(shù)的研究現(xiàn)狀19-21
• 1.2.2 半導(dǎo)體光催化技術(shù)21-23
• 1.2.3 納米TiO_2光催化材料的研究進(jìn)展23-31
• 1.3 TiO_2對化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)化及利用31-39
• 1.3.1 膜34-35
• 1.3.2 催化劑35-38
• 1.3.3 當(dāng)前的問題和未來的發(fā)展趨勢38-39
• 1.3.4 結(jié)論39
• 1.4 論文目標(biāo)及主要工作39-42
• 第2章 改性納米TiO_2的制備及光催化性能研究42-60
• 2.1 實(shí)驗(yàn)部分42-45
• 2.1.1 主要儀器與試劑43
• 2.1.2 納米TiO_2光催化材料的制備43-44
• 2.1.3 樣品的表征44
• 2.1.4 樣品光催化性能的測試44-45
• 2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論45-59
• 2.2.1 樣品的XRD圖譜45-48
• 2.2.2 不同納米TiO_2的TEM測試48-50
• 2.2.3 樣品的X射線能譜及高分辨能譜測試50-52
• 2.2.4 樣品的BET測試52-53
• 2.2.5 樣品的UV-Vis吸收光譜分析53-55
• 2.2.6 樣品的熒光發(fā)射光譜(FES)分析55-56
• 2.2.7 光催化性能的考察56-59
• 2.3 本章小結(jié)59-60
• 第3章 電場對納米TiO_2光催化性能的影響研究60-76
• 3.1 實(shí)驗(yàn)部分61
• 3.1.1 納米TiO_2光催化材料的制備61
• 3.1.2 樣品的表征61
• 3.1.3 電場協(xié)助下樣品光催化性能的測試61
• 3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論61-74
• 3.2.1 樣品的XRD圖譜61-63
• 3.2.2 樣品的HRTEM表征63-65
• 3.2.3 樣品的BET測試65-66
• 3.2.4 外加電場對納米TiO_2光催化性能的影響66-74
• 3.3 本章小結(jié)74-76
• 第4章 TiO_2/rGO復(fù)合材料電催化氧還原性能研究76-92
• 4.1 實(shí)驗(yàn)部分77-79
• 4.1.1 樣品的制備77-78
• 4.1.2 物象表征78
• 4.1.3 電極的制備及電化學(xué)性能的表征78-79
• 4.2 結(jié)果及討論79-89
• 4.2.1 材料的表征79-84
• 4.2.2 電化學(xué)性能測試84-89
• 4.3 本章小結(jié)89-92
• 第5章 貴金屬/TiO_2/rGO復(fù)合材料電催化氧還原性能研究92-110
• 5.1 實(shí)驗(yàn)93-95
• 5.1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑93
• 5.1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容93-95
• 5.2 結(jié)果與討論95-109
• 5.2.1 乙二醇還原法制備的催化材料的XRD分析95-96
• 5.2.2 硼氫化鈉還原法制備的催化材料的XRD分析96-97
• 5.2.3 催化材料的SEM分析97-98
• 5.2.4 催化材料的TEM及HRTEM分析98
• 5.2.5 TiO_2/rGO負(fù)載Pt、Pd貴金屬電催化氧還原性能的研究98-104
• 5.2.6 TiO_2/rGO負(fù)載Pt等貴金屬催化劑的RDE和RRDE分析104-109
• 5.3 本章小結(jié)109-110
• 第6章 全文總結(jié)與展望110-114
• 6.1 全文總結(jié)110-112
• 6.2 本文的主要創(chuàng)新點(diǎn)112-113
• 6.3 不足與展望113-114
• 參考文獻(xiàn)114-140
• 致謝140-142
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及專利目錄142-146
• English Paper146-184
• PaperⅠ146-164
• PaperⅡ164-184
• 學(xué)位論文評閱及答辯情況表184

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前6條

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本文編號：566511