本文關(guān)鍵詞：TiO_2光催化劑的改性研究及其器件化應(yīng)用

  更多相關(guān)文章： 二氧化鈦 光催化 降解 有機(jī)染料 光驅(qū)動(dòng)燃料電池 改性

【摘要】：由于化學(xué)穩(wěn)定性高、耐光腐蝕性和環(huán)境友好等特點(diǎn),TiO2納米材料近年來(lái)成為光催化污水處理領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)。但是,寬的禁帶寬度和高的載流子復(fù)合率使得TiO2材料直接作為高性能可見(jiàn)光催化劑的可能性變得微乎其微。窄化帶隙并抑制載流子的復(fù)合是提高TiO2材料可見(jiàn)光催化性能的必經(jīng)之路。本文通過(guò)測(cè)試摻雜改性和異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)改性后TiO2基光催化劑的催化性能發(fā)現(xiàn)這兩種改性方法都有其各自的缺陷。為了獲得高性能的TiO2基光催化劑,我們用與碳材料形成復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法對(duì)其進(jìn)行了改性研究。結(jié)果表明,合理的TiO2/C復(fù)合結(jié)構(gòu)不僅可以有效地提高TiO2材料的光催化效率,而且可以實(shí)現(xiàn)催化劑的回收利用,是TiO2基光催化劑邁向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵。在進(jìn)一步提高催化劑中電子空穴分離效率的研究中,我們猜想并完善了一種新型光催化器件——光驅(qū)動(dòng)燃料電池的設(shè)計(jì)。光驅(qū)動(dòng)燃料電池集有機(jī)物光降解處理和發(fā)電為一體,是污水處理手段和產(chǎn)能手段的理想結(jié)合。但是其對(duì)電極材料的要求比較嚴(yán)格,因此仍需要大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)加以研究。為了窄化帶隙并提高載流子的分離效率,我們分別用摻雜、表面修飾及與碳材料復(fù)合等方式對(duì)TiO2光催化劑進(jìn)行了改性研究,并對(duì)其器件化發(fā)展做出了分析。主要研究?jī)?nèi)容如下：(1)我們用水熱法制備了Fe摻雜的TiO2納米顆粒,并測(cè)試了其光催化降解亞甲基藍(lán)的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,摻雜確實(shí)可以實(shí)現(xiàn)TiO2材料對(duì)可見(jiàn)光的吸收利用。但是摻雜的Fe離子同時(shí)也扮演著載流子復(fù)合中心的角色,對(duì)TiO2的催化性能反而有抑制作用。將純TiO2納米材料在氫等離子體處理后,可以得到黑色的納米TiO2。黑色TiO2屬于自摻雜的TiO2材料,可以吸收利用大部分的可見(jiàn)光,甚至部分的近紅外光。而其優(yōu)良的可見(jiàn)光催化降解有機(jī)物的性能主要是由能夠吸收利用可見(jiàn)光、大量的表面氧空位及Ti-H鍵作為電子的捕獲劑導(dǎo)致載流子的有效分離等特性所共同決定的；(2)為了避免摻雜引起載流子復(fù)合率升高現(xiàn)象的出現(xiàn),我們用一些常見(jiàn)的窄禁帶過(guò)渡金屬氧化物對(duì)TiO2納米顆粒進(jìn)行表面修飾,制備出了TiO2基異質(zhì)結(jié)光催化劑,藉此實(shí)現(xiàn)其對(duì)可見(jiàn)光的吸收利用并提高載流子的分離效果。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),Type Ⅰ型異質(zhì)結(jié)光催化劑雖然也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)可見(jiàn)光的吸收利用,但是其并不能實(shí)現(xiàn)光生電子空穴的有效分離,進(jìn)而導(dǎo)致較差的光催化降解效果。而TypeⅡ型異質(zhì)結(jié)光催化劑合理的能帶結(jié)構(gòu)使得其電子空穴的分離效率有所提高,但是其光催化降解有機(jī)物的性能卻并不理想。這說(shuō)明電子空穴的有效分離并不是增強(qiáng)光催化劑催化效果的唯一決定因素,催化劑上空穴的最終能量位置則是更關(guān)鍵的因素；(3)我們研究了包覆的非晶碳含量對(duì)TiO2/C復(fù)合結(jié)構(gòu)光催化性能的影響。測(cè)試表征發(fā)現(xiàn),在煅燒處理過(guò)程中,適量的碳包覆有利于調(diào)控TiO2顆粒表面的氧空位含量。包覆的碳在測(cè)試中可以促進(jìn)電子空穴的分離,使得復(fù)合結(jié)構(gòu)擁有較高的光催化性能。隨后我們通過(guò)分別選擇微米級(jí)的還原氧化石墨烯球(rGO)、石墨粉和碳纖維為碳基體,制備得到了能夠從溶液中自沉降分離的TiO2/C復(fù)合結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)其各自的光催化降解性能進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn),TiO2/rGO復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)有機(jī)染料有著極強(qiáng)的吸附能力,然而其光催化降解有機(jī)物的性能卻不是很穩(wěn)定,不利于其在實(shí)際中的應(yīng)用。而TiO2/石墨粉復(fù)合結(jié)構(gòu)的光催化性能比原始TiO2納米顆粒的催化性能較好,而且其循環(huán)測(cè)試性能也比較穩(wěn)定。但是TiO2顆粒是靠著簡(jiǎn)單的物理吸附作用附著在石墨粉上的,其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不是很高。最后我們依靠自模板的方式制備得到了TiO2/多孔碳纖維的復(fù)合結(jié)構(gòu)。TiO2與碳纖維之間的化學(xué)接觸及多孔碳的吸附性能使得復(fù)合結(jié)構(gòu)擁有極好的光催化降解有機(jī)物性能,這為后續(xù)高性能TiO2基光催化劑的制備提供了新的思路；(4)通過(guò)細(xì)致分析增強(qiáng)電子空穴對(duì)分離效果的整個(gè)發(fā)展歷程,并結(jié)合已有電化學(xué)電池的結(jié)構(gòu),我們?cè)O(shè)計(jì)出了一種新型的電化學(xué)電池——光驅(qū)動(dòng)燃料電池。光驅(qū)動(dòng)燃料電池用光催化氧化有機(jī)物的反應(yīng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃料電池的負(fù)極反應(yīng),實(shí)現(xiàn)了光催化反應(yīng)中電子空穴對(duì)的最佳分離效果,完成了光催化降解有機(jī)物器件化的雛形設(shè)計(jì),為光催化在實(shí)際生產(chǎn)生活中的應(yīng)用開(kāi)辟了新的道路。由于整個(gè)反應(yīng)對(duì)光陽(yáng)極結(jié)構(gòu)和性能的要求較高,因而TiO2光陽(yáng)極的制備需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)摸索。
【關(guān)鍵詞】：二氧化鈦 光催化 降解 有機(jī)染料 光驅(qū)動(dòng)燃料電池 改性
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TQ134.11;O643.36
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• Abstract5-12
• 第一章 緒論12-44
• 1.1 研究背景及意義12
• 1.2 常見(jiàn)水體污染處理方法的比較12-13
• 1.3 光催化13-16
• 1.3.1 光催化的定義13
• 1.3.2 光催化劑的材料13-14
• 1.3.3 光催化的機(jī)理14-16
• 1.3.4 光催化在污水處理中的優(yōu)勢(shì)16
• 1.4 納米TiO_2光催化劑16-31
• 1.4.1 TiO_2材料簡(jiǎn)介16-18
• 1.4.2 TiO_2的優(yōu)缺點(diǎn)18-20
• 1.4.3 納米TiO_2的制備20-25
• 1.4.4 影響納米TiO_2催化性能的因素25-26
• 1.4.5 納米TiO_2的改性26-28
• 1.4.6 納米TiO_2光催化劑在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題28-29
• 1.4.7 TiO_2材料在光電器件領(lǐng)域的應(yīng)用29-31
• 1.5 本論文的研究?jī)?nèi)容及意義31-32
• 1.5.1 研究?jī)?nèi)容31-32
• 1.5.2 研究意義32
• 參考文獻(xiàn)32-44
• 第二章 納米TiO_2的改性研究44-76
• 2.1 表征儀器信息44
• 2.2 Fe摻雜的TiO_2納米催化劑44-52
• 2.2.1 Fe摻雜TiO_2納米顆粒的水熱制備45
• 2.2.2 Fe摻雜TiO_2納米顆粒光催化性能的測(cè)試45-46
• 2.2.3 Fe摻雜TiO_2納米顆粒的形貌表征及成分分析46-50
• 2.2.4 Fe摻雜TiO_2納米顆粒的光催化性能50-52
• 2.3 過(guò)渡金屬氧化物表面修飾的TiO_2納米顆粒52-63
• 2.3.1 Fe_2O_3/TiO_2異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的光催化性能52-57
• 2.3.2 CO_3O_4/TiO_2異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的光催化性能57-63
• 2.4 氫等離子體處理法制備黑色TiO_2及其光催化性能63-72
• 2.4.1 黑色TiO_2的制備63-64
• 2.4.2 黑色TiO_2光催化性能測(cè)試64-65
• 2.4.3 黑色TiO_2的形貌及結(jié)構(gòu)表征65-68
• 2.4.4 黑色TiO_2的光催化性能分析68-70
• 2.4.5 黑色TiO_2的形成機(jī)理70-72
• 2.5 本章小結(jié)72
• 參考文獻(xiàn)72-76
• 第三章 納米TiO_2/碳復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備及其光催化性能76-110
• 3.1 碳在TiO_2/C復(fù)合結(jié)構(gòu)中的作用76-84
• 3.1.1 不同C/TiO_2復(fù)合結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)易制備77-78
• 3.1.2 C/TiO_2復(fù)合材料的光催化性能測(cè)試78
• 3.1.3 C/TiO_2復(fù)合材料的形貌和晶相結(jié)構(gòu)分析78-82
• 3.1.4 C/TiO_2復(fù)合材料的光催化降解性能82-83
• 3.1.5 碳的不同存在形式在復(fù)合材料中的作用分析83-84
• 3.2 TiO_2/還原氧化石墨烯復(fù)合微米球的制備及其光催化性能84-89
• 3.2.1 TiO_2/還原氧化石墨烯微球的制備84-85
• 3.2.2 P25/rGO微球的形貌表征85-87
• 3.2.3 P25/rGO微球的光催化性能87-88
• 3.2.4 P25/rGO微球中的載流子復(fù)合88-89
• 3.3 TiO_2/石墨粉的物理法組裝及其光催化性能89-94
• 3.3.1 TiO_2/石墨粉復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備89-90
• 3.3.2 TiO_2/石墨粉復(fù)合結(jié)構(gòu)的物理法自組裝機(jī)理90-91
• 3.3.3 TiO_2/石墨粉復(fù)合結(jié)構(gòu)的形貌、晶相表征91-92
• 3.3.4 TiO_2/石墨粉的光催化穩(wěn)定性能92-94
• 3.4 TiO_2/多孔碳纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備及其光催化性能94-106
• 3.4.1 TiO_2/多孔碳纖維的制備94
• 3.4.2 表面活性劑對(duì)TiO_2/CF復(fù)合結(jié)構(gòu)的影響94-97
• 3.4.3 退火溫度對(duì)TiO_2/CF復(fù)合結(jié)構(gòu)的影響97-100
• 3.4.4 TiO_2/多孔碳纖維的形成機(jī)理100-102
• 3.4.5 TiO_2/多孔碳纖維的光催化性能及其機(jī)理分析102-106
• 3.5 本章小結(jié)106
• 參考文獻(xiàn)106-110
• 第四章 TiO_2光催化劑的器件化應(yīng)用110-122
• 4.1 研究思路110-112
• 4.2 光驅(qū)動(dòng)燃料電池的基本結(jié)構(gòu)112-113
• 4.3 光驅(qū)動(dòng)燃料電池與染料敏化太陽(yáng)能電池的比較113-114
• 4.4 光驅(qū)動(dòng)燃料電池的光陽(yáng)極114-118
• 4.5 本章小結(jié)118
• 參考文獻(xiàn)118-122
• 第五章 總結(jié)與展望122-126
• 5.1 總結(jié)122-123
• 5.2 展望123-126
• 在學(xué)期間的研究成果126-128
• 致謝128-129

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前3條

1 張世英;游洋;萬(wàn)隆;許第發(fā);;溶膠-凝膠法制備TiO_2連續(xù)纖維的形貌與結(jié)構(gòu)[J];硅酸鹽學(xué)報(bào);2011年03期

2 朱斌;戴遐明;李慶豐;鄧長(zhǎng)生;;模板法合成TiO_2納米陣列及其微觀結(jié)構(gòu)表征[J];過(guò)程工程學(xué)報(bào);2007年01期

3 舒小昀;;工業(yè)革命:從生物能源向礦物能源的轉(zhuǎn)變[J];史學(xué)月刊;2009年11期

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 劉冰;介孔硅基材料的制備及其在低濃度污水處理中的應(yīng)用[D];北京化工大學(xué);2008年

，

本文編號(hào)：980018