卤素掺杂二氧化钛在光电催化中的应用及其降解机理研究

发布时间：2020-03-19 12:28

【摘要】：随着社会的发展、工业化进程的加速,大量排放的有机污染物所引起的水污染问题越来越严重。在受污染水体中,以染料、化工用品和药物等有机污染物较为常见。光电催化(photoelectrocatalytic,PEC)作为一种新型的高级氧化技术,能够氧化分解绝大多数难降解的有机污染物,具有设备简单、条件温和以及无二次污染等突出优点,在环境领域中受到了广泛关注。在众多催化剂中,由于TiO_2具有成本低、毒性小、化学稳定性好等优点,被认为是PEC技术中最具应用潜力的光电阳极催化剂。然而,PEC技术还存在一些问题,例如,TiO_2薄膜电极的可见光利用率低、制备成本高和稳定性差等,限制了其在污水处理中的产业化应用。现有与PEC相关的研究报道主要集中在材料表征和催化剂降解性能等方面,而对其降解机理方面的研究尚不充分。鉴于此,开发简单、低成本的方法制备具有高可见光催化性能的TiO_2薄膜电极以及研究PEC降解机理具有重要意义。由于卤素(F和I)掺杂TiO_2制备方法简单,并具有优异的可见光催化性能,是制备PEC光电阳极的理想催化剂。在本论文中,为了解决PEC技术中存在的问题,我们采用简单的方法(溶胶-凝胶法和水解法)制备了具有优异可见光催化活性的卤素掺杂TiO_2催化剂。然后,采用简单、低成本的丝网印刷法制备了卤素掺杂TiO_2薄膜电极,该电极在可见光照射下对有机污染物表现出了较高的PEC降解性能,并具有良好的稳定性。同时,也对PEC过程中有机污染物的降解机理进行了分析。论文具体内容如下:1.采用简单的溶胶-凝胶法和水解法成功制备了卤素掺杂TiO_2催化剂,并对该催化剂进行了物理化学表征。结果表明,卤素(F和I)掺杂和多元素(F-Sn和I-P)共掺杂能够明显提升TiO_2的可见光吸收能力和光生电荷分离速率。然后,以FTO导电玻璃为催化剂载体,采用丝网印刷法制备了具有多孔形貌的卤素掺杂TiO_2薄膜电极。为了解决催化剂易从FTO基体脱落的问题,在电极制备过程中添加了低温玻璃粉来增强催化剂与导电基体间的附着性。2.选取污水中常见的有机污染物(亚甲基蓝、苯酚、双氯芬酸和四环素)以及实际废水(垃圾渗滤液和制药废水)作为降解对象,评估了卤素掺杂TiO_2薄膜电极对有机污染物的PEC降解性能。结果表明,电极在可见光照射下对有机污染物和实际废水均表现出良好且稳定的PEC降解性能,并且该PEC性能受元素掺杂量、外加偏压、溶液pH、H_2O_2浓度和电解质种类等因素的影响。另外,在卤素掺杂TiO_2薄膜电极中,I,P共掺杂TiO_2薄膜电极对有机污染物表现出了最高的PEC降解性能。3.采用了一级动力学模型、Langmuir-Hinshelwood动力学模型以及活性粒子捕获实验对卤素掺杂TiO_2薄膜电极PEC降解有机污染物的机理进行了分析。结果表明,有机污染物的PEC降解过程主要发生在薄膜电极表面,并且电极表面对有机污染物的吸附是降解过程中的限速步骤。在有机污染物的PEC降解过程中,空穴(h~+)和羟基自由基(.OH)是引起有机污染物降解的主要活性粒子,并且元素掺杂量和有机污染物起始浓度不会影响h~+和.OH的主导地位。当NaCl为溶液电解质时,有机污染物的PEC降解速率会明显提升,h~+和.OH会与溶液中的Cl~-反应生成大量的氯自由基(Cl.)并参与有机污染物的降解。此条件下,Cl.是降解有机污染物的主要活性粒子。另外,对有机污染物的PEC降解路径研究再一次证实,h~+和.OH在有机污染物的PEC降解过程中发挥了主导作用。
【图文】：

半导体催化剂,臭氧氧化,光生电子

2019 年华东师范大学博士学位论文处理系统中能够迅速自我消除。最常见的 AOPs 系统主要2O2氧化系统（H2O2/UV）、臭氧氧化和基于臭氧氧化过程O3/H2O2和 O3/H2O2/UV）、基于 TiO2的光催化氧化系统（以及基于芬顿反应的氧化系统（Fe2+/H2O2和 Fe2+/H2O2/U（photocatalytic，PC）技术具有效率高，成本低，无二次污受到了广泛关注。PC 技术的基本原理如图 1.1 所示，催或者太阳光的照射下产生光生电子（e-）和空穴（h+），，光生化还原反应，并在催化剂表面生成具有强氧化性的.OH、粒子，进而降解有机污染物。然而，由于催化剂光生电子-空穴以及 PC 处理后污水中催化剂的回收复杂等因素，制约了

光电催化,领域,历年,微生物灭活

2019 年华东师范大学博士学位论文还被应用到了无机离子还原、微生物灭活、CO2还原以因此，该技术在环境领域中有着广阔的应用前景。我atalytic”在文献检索系统 web of science 中进行检索得PEC 领域发表文章数量的情况。如图 1.2 所示，可以来，PEC 领域发表的文章数量呈上升趋势，这说明了
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703

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