钛基金属氧化物电极的制备及电催化性能研究

发布时间：2020-07-05 12:29

【摘要】：阳极材料的性能是影响电催化氧化技术在水处理领域应用的关键因素之一。为此,本论文以钛基二氧化钛纳米管阵列(Ti/TNTs)为阳极的基体材料,对电极进行掺杂改性,研究了掺杂改性对电极性能的影响,具体研究如下:采用阳极氧化法制备了钛基二氧化钛纳米管阵列,考察了pH值、氧化电压、温度等几种因素对TiO_2纳米管(TNTs)形貌的影响。采用均匀实验的方法对影响TNTs形成的几种参数进行了优化。研究结果表明,当氧化电压为35V、氧化时间2.5h、电解液组成为0.85wt%NH_4F+3vol%H_2O、初始pH=9时,在金属钛上形成的TNTs管长最长,管径大小均匀,排列有序,且在该条件下制备的Ti/TNTs发挥出了最佳的电催化氧化能力,在10mA/cm~2的电流密度下,180min对目标污染物亚甲基蓝(MB)的去除率达64.1%。以上述最优条件制备的Ti/TNTs为阳极的基体材料,层层涂覆SbCl_3-SnCl_4水凝胶溶液和石墨烯前驱体溶液,通过高温快速挥发溶剂来构造石墨烯-凝胶骨架结构,组装石墨烯-水凝胶改性的Ti/TNTs-Sb-SnO_2电极(Ti/TNTs-Sb-SnO_2-rGO),研究石墨烯(rGO)的引入对电极性能及形貌的影响。结果显示该电极与未引入石墨烯的Ti/TNTs-Sb-SnO_2电极相比导电性能明显增加。石墨烯作为支撑结构有效减缓了颗粒的聚集现象,且颗粒尺寸较小,电极表面晶粒呈簇状分布。在催化性能和稳定性方面Ti/TNTs-Sb-SnO_2-rGO电极均有优异表现,rGO的引入显著提高了电极的析氧电位(2.1V)、实验室加速寿命(9h)和电催化性能,在电催化降解亚甲基蓝实验中,60min MB去除率达到97%,电流效率达31%。制备了稀土元素La和Sb共掺杂改性的Ti/TNTs-La_xSb_(1-x)-SnO_2-rGO电极,分析了La的不同掺杂量对该电极性能的影响。研究结果表明,La/Sb摩尔百分比为La_(20)Sb_(80)时所制备的Ti/TNTs-La_(20)Sb_(80)-SnO_2-rGO电极发挥了最佳的La、Sb协同效应。该电极析氧电位约2.5V,电极催化活性和稳定性能最佳。另外,研究了亚甲基蓝初始浓度、溶液初始pH值、温度和电流密度等几种因素对Ti/TNTs-La_(20)Sb_(80)-SnO_2-rGO电极催化性能的影响。实验结果显示,该电极降解亚甲基蓝的最佳工艺条件为:亚甲基蓝初始浓度为10mg/L、pH=9、反应温度为20℃、电流密度为5mA/cm~2,降解60min对亚甲基蓝去除率达100%。
【学位授予单位】：苏州科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O646.54;O643.32
【图文】：

同质异相体,结构示意图,TiO2催化剂

图 1.1 三种 TiO2同质异相体的结构示意图Fig.1.1 Schematic drawing of polymorphs of TiO2子-空穴复合速率影响 TiO2催化剂的催化性能以外，还有很剂的性能产生影响，关于这方面的报道很多，但是由于缺乏的实验条件等，得出的结论存在较大差异[37-39]。但通过对前结出一些一般性的结论。素：（1）TiO2的晶粒尺寸：一般认为当晶粒尺寸足够小时会米尺寸的 TiO2催化剂具有量子尺寸效应，电荷迁移速率更快剂的催化性能[40]。但是固定态 TiO2催化剂会由于晶粒过于晶界是电子-空穴复合中心，晶界增多易增加电子-空穴复合影响导电性能的因素之一[41]。因此如何协调两者，寻得一个全面的研究。iO2的比表面积：比表面积越大能提供的反应活性位点也就越也使得材料吸附能力增强，有助于有机物吸附到电极表面化剂常见三种维度结构，包括零维的纳米颗粒[42-44]；一维的

示意图,贵金属,作用机理,示意图

减小复合几率；第三种是将不同带隙宽度的半导复合半导体。贵金属沉积金属沉积能够引起载流子由半导体向金属迁移，一的功函数，换言之金属的费米能级要低于半导体的子和空穴迁移。电子从费米能级高的向费米能级低导体迁移到贵金属上，使得负电荷聚集在贵金属端而形成肖特基势垒（Schottky barrier）[50]。电子在获，使得光生空穴得以在材料内自由移动，如图 1空穴有效分离，有利于催化剂催化性能的提高。目t[51、52]、Ag[53]、Au[54]、Ru[55]、Ir[56]、Pd[57]等。Ye 沉积 Pd 量子点，TiO2和 Pd 之间形成 Schottky 浅势米管催化剂表现出活跃的光电催化活性。

【参考文献】