TiO2納米管光電催化降解有機污染物耦合制氫研究.pdf

1、隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進程的加快，環(huán)境問題和能源危機日益嚴重。由于氫能具有清潔高效、能量密度高、導(dǎo)熱性好等特點必將成為人類未來能源發(fā)展的一個主要方向。利用太陽能為驅(qū)動，光催化劑為光電極來降解有機污染物制取氫，將光能、電能進行有機結(jié)合，實現(xiàn)了光能和電能到化學(xué)能（氫能）的轉(zhuǎn)換，不但解決了嚴重的環(huán)境污染問題而且也為緩解能源危機提供有效途徑。
　　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)陽極氧化法

2、成功制備出二氧化鈦納米管(TNT)并對其進行改性。探索了制備的主要影響因素對二氧化鈦納米管結(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污染物同時產(chǎn)氫的應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上對其光電催化降解有機污染物同時產(chǎn)氫的機理進行了初步探索，為開發(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、孔徑、長徑比、粗糙系數(shù)、生長速率逐漸增大，管壁厚度逐漸降低。在相同的氧化電壓下，隨著氧化時間(3 h、4h、5h、6h)的延長，二氧化鈦納米管的管長、長徑比和粗糙系數(shù)逐漸增大，孔徑和壁厚基本不變。總之，氧化電壓對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，尤其是對其長徑比。在氧化電壓為60V，氧化時間為6h的條件下制備的二氧化鈦納米管具有最佳的長徑比結(jié)構(gòu)特征，其長徑比為

4、178，表現(xiàn)出優(yōu)異的光電催化降解有機污染物同時產(chǎn)氫的性能，其光電流密度和光電催化降解甲基橙的動力學(xué)常數(shù)分別達到最大，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測試表明，其含有一定量的C、N元素，成功實現(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。一步陽極氧化和兩步陽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％。當加入乙二醇作為有機電子供體時，一步陽極氧化和兩步陽極氧化合成的二氧化鈦納米管的瞬時光電流密度分別為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驗表明，Pt/TNT的光電催化降解速率為TNT的2.7倍，且具有較好的的機械強度和化學(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，分別以0.1 mol/L的KOH、Na2SO4、 Na2CO3溶液為支持電解