基于Ⅰ掺杂TiO 2 纳米管阵列的平面光/光电催化燃料电池的研究
发布时间：2021-11-25 22:27
随着现代化建设的不断推进,工农业产生大量污染物排入自然界,生态环境污染问题越来越严重,已经对人们的生产生活造成了恶劣的影响。我国对于生态环境保护事业的建设愈发重视,其中对于水资源污染的防治进行了大量的研究。基于半导体材料的光/光电催化燃料电池能够在降解水体中有机污染物的同时,可回收有机物中的化学能,在解决水资源污染方面具有良好的前景。通过阳极氧化法制备了TiO2纳米管阵列（TiO2 Nanotubes Arrays,TNA）电极,研究了不同的制备工艺对TiO2纳米管催化降解亚甲基蓝（Methylene blue,MB）性能的影响,得到了制备TNA电极的最佳工艺条件。制备了I掺杂TiO2纳米管阵列（I-doped TiO2 Nanotubes Arrays,ITNA）电极,使用FESEM、XRD、XPS、EDS对ITNA进行了表征,证明I成功掺杂到TNA中。通过对MB的降解实验,证实电解2 h的ITNA性能最佳,此条件下最大光电流为1.1 mA cm-2,同...
【文章来源】：华东师范大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
半导体能级图
2020年华东师范大学硕士学位论文4图1.3半导体吸收光子后内部载流子的变化Fig1.3Thechangesofinternalcarriersaftersemiconductorsabsorbphotons1.1.2光催化燃料电池工作原理光催化燃料电池由半导体光阳极、光阴极和连接导线组成，可以将太阳能和化学能转化为电能，同时降解有机物。该体系的能量输入为太阳能，成本低、来源广；由半导体材料制备的光电极，具有降解速度快、材料来源广、稳定性好、降解无选择性等优点[29-32]；图1.4为典型的PFC工作原理简图，使用二氧化钛作为光阳极，贵金属铂为对电极，在PFC系统中会发生以下反应：photoanode+hv→e+h+(1-2)h++H2O→OH+H+(1-3)e+O2→O2(1-4)O2+H+→HO2(1-5)2HO2→H2O2+O2(1-6)光催化产生的h+和进一步反应产生的·OH具有强氧化性，可以直接氧化光催化剂表面吸附的有机物，所以光催化中产生的h+和·OH的多少会对氧化污染物的过程产生至关重要的影响。在一定条件下，e-也会与H2O、O2发生反应产生H2O2、O2·-等粒子，这些粒子也具有强氧化性，可以对降解效率产生一定的影响。
2020年华东师范大学硕士学位论文5图1.4PFC的工作原理示意图Fig1.4SchematicrepresentationofPFC1.1.3光电催化工作原理PEC结合了光催化和电催化的作用，通过向光催化剂施加外部偏压，避免了e--h+对的快速复合。在PEC中光催化过程和电化学过程存在协同效应，合理利用电化学辅助光催化技术，能促使光生电子的转移。J,B.A等[33]通过实验得出，在电极上施加偏压时，光催化性能比无偏压时更加优异。光催化中e-和h+是成对产生的，在光阳极和阴极之间的转移会损失很大一部分光生e-，会导致h+数量多于e-,由公式（1-3）产生的·OH就会多于公式（1-4）产生的O2·-[34]。对光阳极施加的外加电压变大，其表面会发生氧化反应析出氧气，阴极处则析出氢气。根据公式（1-7）可以知道，（1-6）产生的H2O2能够消耗部分e-，产生氧化性的·OH。在PEC系统中，光催化与电催化具有协同作用，电化学氧化（electro-oxidation,EO）可以使半导体在电压下催化H2O生成强氧化性的·OH（公式1-8）参与反应：e+H2O2→OH+OH(1-7)Photoanode+H2O→OH+H++e(1-8)1.2光催化燃料电池的能质传输过程PFC内部为溶液环境，能量的输送、物质的转移都是非常繁琐的，输送和转
【参考文献】：
期刊论文
[1]Synthesis of Single-Crystalline Anatase TiO2 Nanorods With High-Performance Dye-Sensitized Solar Cells[J]. Jin Liu,Jun Luo,Weiguang Yang,Yali Wang,Linyan Zhu,Yueyang Xu,Ying Tang,Yajing Hu,Chen Wang,Yigang Chen,Weimin Shi. Journal of Materials Science & Technology. 2015(01)
[2]Preparation of porous nanocrystalline TiO2 electrode by screen-printing technique[J]. XIE DongMei1,2, FENG ShuJing1, LIN Yuan1, DONG GuoJun2, XIAO XuRui1, LI XuePing1 & ZHOU XiaoWen1 1 Beijing National Laboratory for Molecular Sciences, Key Laboratory of Photochemistry, Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China; 2 College of Material Science and Chemical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China. Chinese Science Bulletin. 2007(18)
博士论文
[1]新型Ga掺杂ZnO基透明导电薄膜的制备与研究[D]. 张哲浩.浙江大学 2015
本文编号：3518903
【文章来源】：华东师范大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
半导体能级图
2020年华东师范大学硕士学位论文4图1.3半导体吸收光子后内部载流子的变化Fig1.3Thechangesofinternalcarriersaftersemiconductorsabsorbphotons1.1.2光催化燃料电池工作原理光催化燃料电池由半导体光阳极、光阴极和连接导线组成，可以将太阳能和化学能转化为电能，同时降解有机物。该体系的能量输入为太阳能，成本低、来源广；由半导体材料制备的光电极，具有降解速度快、材料来源广、稳定性好、降解无选择性等优点[29-32]；图1.4为典型的PFC工作原理简图，使用二氧化钛作为光阳极，贵金属铂为对电极，在PFC系统中会发生以下反应：photoanode+hv→e+h+(1-2)h++H2O→OH+H+(1-3)e+O2→O2(1-4)O2+H+→HO2(1-5)2HO2→H2O2+O2(1-6)光催化产生的h+和进一步反应产生的·OH具有强氧化性，可以直接氧化光催化剂表面吸附的有机物，所以光催化中产生的h+和·OH的多少会对氧化污染物的过程产生至关重要的影响。在一定条件下，e-也会与H2O、O2发生反应产生H2O2、O2·-等粒子，这些粒子也具有强氧化性，可以对降解效率产生一定的影响。
2020年华东师范大学硕士学位论文5图1.4PFC的工作原理示意图Fig1.4SchematicrepresentationofPFC1.1.3光电催化工作原理PEC结合了光催化和电催化的作用，通过向光催化剂施加外部偏压，避免了e--h+对的快速复合。在PEC中光催化过程和电化学过程存在协同效应，合理利用电化学辅助光催化技术，能促使光生电子的转移。J,B.A等[33]通过实验得出，在电极上施加偏压时，光催化性能比无偏压时更加优异。光催化中e-和h+是成对产生的，在光阳极和阴极之间的转移会损失很大一部分光生e-，会导致h+数量多于e-,由公式（1-3）产生的·OH就会多于公式（1-4）产生的O2·-[34]。对光阳极施加的外加电压变大，其表面会发生氧化反应析出氧气，阴极处则析出氢气。根据公式（1-7）可以知道，（1-6）产生的H2O2能够消耗部分e-，产生氧化性的·OH。在PEC系统中，光催化与电催化具有协同作用，电化学氧化（electro-oxidation,EO）可以使半导体在电压下催化H2O生成强氧化性的·OH（公式1-8）参与反应：e+H2O2→OH+OH(1-7)Photoanode+H2O→OH+H++e(1-8)1.2光催化燃料电池的能质传输过程PFC内部为溶液环境，能量的输送、物质的转移都是非常繁琐的，输送和转
【参考文献】：
期刊论文
[1]Synthesis of Single-Crystalline Anatase TiO2 Nanorods With High-Performance Dye-Sensitized Solar Cells[J]. Jin Liu,Jun Luo,Weiguang Yang,Yali Wang,Linyan Zhu,Yueyang Xu,Ying Tang,Yajing Hu,Chen Wang,Yigang Chen,Weimin Shi. Journal of Materials Science & Technology. 2015(01)
[2]Preparation of porous nanocrystalline TiO2 electrode by screen-printing technique[J]. XIE DongMei1,2, FENG ShuJing1, LIN Yuan1, DONG GuoJun2, XIAO XuRui1, LI XuePing1 & ZHOU XiaoWen1 1 Beijing National Laboratory for Molecular Sciences, Key Laboratory of Photochemistry, Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China; 2 College of Material Science and Chemical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China. Chinese Science Bulletin. 2007(18)
博士论文
[1]新型Ga掺杂ZnO基透明导电薄膜的制备与研究[D]. 张哲浩.浙江大学 2015
本文编号：3518903
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