TiO2納米管光電催化降解有機(jī)污染物耦合制氫研究.pdf

1、隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，環(huán)境問(wèn)題和能源危機(jī)日益嚴(yán)重。由于氫能具有清潔高效、能量密度高、導(dǎo)熱性好等特點(diǎn)必將成為人類(lèi)未來(lái)能源發(fā)展的一個(gè)主要方向。利用太陽(yáng)能為驅(qū)動(dòng)，光催化劑為光電極來(lái)降解有機(jī)污染物制取氫，將光能、電能進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了光能和電能到化學(xué)能（氫能）的轉(zhuǎn)換，不但解決了嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題而且也為緩解能源危機(jī)提供有效途徑。
　　作為該技術(shù)的關(guān)鍵，研制出具有光轉(zhuǎn)化效率高的光電催化材料是重要的研究方向。本文利用電化學(xué)陽(yáng)極氧化法

2、成功制備出二氧化鈦納米管(TNT)并對(duì)其進(jìn)行改性。探索了制備的主要影響因素對(duì)二氧化鈦納米管結(jié)構(gòu)特征及其光電催化活性的影響。
　　探索二氧化鈦納米管陣列光電催化產(chǎn)氫性能的影響因素、摻雜改性及其光電催化降解有機(jī)污染物同時(shí)產(chǎn)氫的應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上對(duì)其光電催化降解有機(jī)污染物同時(shí)產(chǎn)氫的機(jī)理進(jìn)行了初步探索，為開(kāi)發(fā)高效能的二氧化鈦納米管陣列及其復(fù)合光催化劑提供了技術(shù)支持。主要結(jié)果如下:
　　1.在相同的氧化時(shí)間條件下，隨著氧化電壓(20

3、V、30 V、45 V、60 V)的升高，二氧化鈦納米管的管長(zhǎng)、孔徑、長(zhǎng)徑比、粗糙系數(shù)、生長(zhǎng)速率逐漸增大，管壁厚度逐漸降低。在相同的氧化電壓下，隨著氧化時(shí)間(3 h、4h、5h、6h)的延長(zhǎng)，二氧化鈦納米管的管長(zhǎng)、長(zhǎng)徑比和粗糙系數(shù)逐漸增大，孔徑和壁厚基本不變?？傊?，氧化電壓對(duì)二氧化鈦納米管陣列的形貌結(jié)構(gòu)特征起著決定性影響，尤其是對(duì)其長(zhǎng)徑比。在氧化電壓為60V，氧化時(shí)間為6h的條件下制備的二氧化鈦納米管具有最佳的長(zhǎng)徑比結(jié)構(gòu)特征，其長(zhǎng)徑比為

4、178，表現(xiàn)出優(yōu)異的光電催化降解有機(jī)污染物同時(shí)產(chǎn)氫的性能，其光電流密度和光電催化降解甲基橙的動(dòng)力學(xué)常數(shù)分別達(dá)到最大，其值分別為48×10-3 mA/cm2和2.26×10-3 min-1;在外加偏壓為0.45 V時(shí)表現(xiàn)出的最大光電流密度約為0.05 mA/cm2。二氧化鈦納米管陣列經(jīng)450℃煅燒后，其表現(xiàn)出銳鈦礦和金紅石的混合相;XPS測(cè)試表明，其含有一定量的C、N元素，成功實(shí)現(xiàn)了C、N元素的原位摻雜。
　　2.利用兩步電化學(xué)氧化

5、法制各的二氧化鈦納米管表現(xiàn)出較高的長(zhǎng)徑比和較薄的管壁厚度，其值分別為104.83和16.36 nm，相比于一步陽(yáng)極氧化制備的二氧化鈦納米管表現(xiàn)出更高的光電催化性能。一步陽(yáng)極氧化和兩步陽(yáng)極氧化合成的二氧化鈦納米管的光電流密度和及其光-氫轉(zhuǎn)化效率分別為0.2 mA/cm2和0.4mA/cm2、0.14％和0.36％。當(dāng)加入乙二醇作為有機(jī)電子供體時(shí)，一步陽(yáng)極氧化和兩步陽(yáng)極氧化合成的二氧化鈦納米管的瞬時(shí)光電流密度分別為0.022 mA/cm2和

6、0.026 mA/cm2。
　　3.以氧化電壓分別為20V、30V、45 V，氧化時(shí)間為1h的條件下制備二氧化鈦納米管為基體，利用電化學(xué)沉積法制備了ZnFe2O4/TiO2納米管復(fù)合光電極，在氧化電壓45 V、氧化時(shí)間1h條件下制備的二氧化鈦納米管表現(xiàn)出最大光-氫轉(zhuǎn)化效率為0.1％，而在氧化電壓30 V、氧化時(shí)間1h條件下制備的二氧化鈦納米管復(fù)合光電極ZnFe2O4/TiO2表現(xiàn)出的最大光-氫轉(zhuǎn)化效率為0.18％。
　　4.

7、以氧化電壓45 V、氧化時(shí)間5h制備的二氧化鈦納米管為基體，利用提拉-浸漬法合成的Pt/TiO2納米管復(fù)合電極，其光-氫轉(zhuǎn)化效率是TiO2納米管的2.1倍。甲基橙光電催化降解實(shí)驗(yàn)表明，Pt/TNT的光電催化降解速率為T(mén)NT的2.7倍，且具有較好的的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性，是一種極具應(yīng)用潛力的環(huán)境友好材料。
　　5.采用三電極體系，在外加偏壓為0.45 V時(shí)，分別以0.1 mol/L的KOH、Na2SO4、 Na2CO3溶液為支持電解