基于Er-Al共掺杂ZnO光催化燃料电池的研究

发布时间：2017-04-06 16:15

  本文关键词：基于Er-Al共掺杂ZnO光催化燃料电池的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：污水回用技术是一项可以解决水资源短缺问题,实现资源回收利用的有效措施。对二级出水进行深度处理并回用,将解决一部分水资源短缺的问题,具有深远的意义。本文基于光催化燃料电池技术,在对二级出水进行深度净化的同时,将污水中的化学能转化为电能,实现了能源的回收和利用。本文采用Er-Al共掺杂纳米ZnO作为光催化材料,具有制备方法简单,制备条件限制少的优点。利用光催化技术来深度净化二级出水,既可以将污水中生物法不能去出的难降解有机物加以去除,又具有反应周期短,快速高效、稳定性高等特点。由于本文所采用光催化材料为两种元素共掺杂体系,为确定最佳掺杂比例,本文先后对五种不同Er的掺杂比例以及五种Al掺杂比例进行对比探究,利用粉末材料在可见光条件下对甲基橙降解效果的对比来得出Er-Al两种元素的最佳掺杂比例。最终得出当Er与Zn原子比为1.5%,Al与Zn原子比为5%时,材料对甲基橙的降解效果最好,因此后续实验中材料的制备均采用此比例。对上述材料进行了SEM、XRD、XPS、DRS分析,探究了材料的形貌结构,晶体晶型,表面化学键,光吸收性能等性质。基于上述探究所得最佳掺杂比例,制备出Er-Al共掺杂ZnO粉末材料,电极材料通过将事先制备好的粉末材料进行旋转涂布于FTO表面,再经过不同温度煅烧制得。将四种不同温度煅烧的材料应用于PFC体系中,探究各体系对二级出水COD、TOC降解情况并分析了各体系的电化学性能。最终得出经500℃煅烧的材料所组成的体系对二级出水降解效果最优。选取500℃煅烧材料进行XPS、XRD以及SEM分析,对材料晶体晶型、表面结构及表面化学键进行分析。最终探究了500℃煅烧的电极材料所组成的PFC体系对二级出水中菌总数以及大肠杆菌的灭活情况,结果表明经270 min大肠杆菌灭活率可达96.8%。经过以上实验分析可以得出,本文所构建的基于Er-Al共掺杂ZnO的光催化燃料电池体系在对二级出水中有机物进行降解的同时,也能同步达到杀菌的作用,并且可以产生一定的外电流,研究成果为二级出水的净化以及燃料电池技术应用在污水处理领域具有一定的参考价值。
【关键词】：二级出水 Er-Al共掺杂 氧化锌 光催化燃料电池
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703;TM911.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-19
• 1.1 研究背景10
• 1.2 Zn O光催化研究概况10-13
• 1.2.1 Zn O的结构与特性10-11
• 1.2.2 Zn O半导体光催化原理11-12
• 1.2.3 基于可见光响应的Zn O修饰12-13
• 1.3 污水厂二级出水研究现状13-16
• 1.3.1 国内外污水回用现状13-14
• 1.3.2 二级出水水质特点14
• 1.3.3 二级出水深度处理技术14-16
• 1.4 光催化燃料电池的研究背景及现状16-18
• 1.5 研究内容18-19
• 第2章 实验材料和方法19-25
• 2.1 实验试剂与仪器19-20
• 2.1.1 实验试剂与材料19
• 2.1.2 实验仪器19
• 2.1.3 二级出水的采集与储存19-20
• 2.2 Er-Al共掺杂Zn O粉体的制备20
• 2.3 Er-Al共掺杂Zn O光电极的制备20
• 2.4 光催化燃料电池实验装置20-21
• 2.5 主要表征分析仪器及测试条件21-22
• 2.5.1 扫描电子显微镜及能谱分析（SEM-EDX）21-22
• 2.5.2 X射线衍射分析（XRD）22
• 2.5.3 紫外-可见漫反射光谱分析（UV-Vis DRS）22
• 2.5.4 X-射线光电子能谱（XPS）22
• 2.5.5 甲基橙浓度测定22
• 2.6 二级出水水质测定22-23
• 2.6.1 化学需氧量分析（COD）22-23
• 2.6.2 总有机碳分析（TOC）23
• 2.6.3 三维荧光光谱（EEM）23
• 2.7 电化学指标的测定23-25
• 2.7.1 线性扫描曲线测定23
• 2.7.2 开路电压测定23-25
• 第3章 Er-Al共掺杂Zn O光电极的制备优化与表征25-36
• 3.1 粉末Er-Al共掺杂Zn O25-32
• 3.1.1 粉末Er-Al共掺杂Zn O掺杂比例的优化25-27
• 3.1.2 SEM27-28
• 3.1.3 XRD28-29
• 3.1.4 DRS29-30
• 3.1.5 XPS30-32
• 3.2 Er-Al共掺杂Zn O光电极32-36
• 3.2.1 SEM32-33
• 3.2.2 XRD33
• 3.2.3 DRS33-34
• 3.2.4 XPS34-36
• 第4章 光催化燃料电池体系（PFC）降解性能研究36-45
• 4.1 PFC对二级出水中污染物的去除36-40
• 4.1.1 TOC与COD去除36-37
• 4.1.2 三维荧光光谱（EEM）分析37-40
• 4.2 PFC反应体系对大肠杆菌去除状况40-41
• 4.2.1 PFC反应体系对二级出水中大肠杆菌情况40-41
• 4.2.2 PFC体系处理二级出水中菌总数变化情况41
• 4.3 PFC电化学性能41-44
• 4.4 PFC 处理二级出水机理分析44-45
• 第5章 结论与建议45-47
• 5.1 主要结论45-46
• 5.2 创新点46
• 5.3 研究展望46-47
• 参考文献47-52
• 作者简介及攻读硕士期间发表学术论文情况52-53
• 致谢53

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

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中国硕士学位论文全文数据库 前2条

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本文编号：289216