钒添加对微弧氧化TiO 2 陶瓷层光催化性能的影响
发布时间：2021-11-03 17:50
光阳极是光电催化技术的关键,但是目前光阳极存在光催化层结合差、比表面积小,负载的TiO2光催化效率低等问题。采用微弧氧化技术可在钛基体上原位生长出Ti-TiO2光阳极,但薄膜TiO2依然存在光催化效率不足问题。基于此,本文采用微弧氧化技术,通过在电解液中添加钒盐,在TC4钛合金基体上制备V添加TiO2陶瓷层,探讨V添加对TiO2陶瓷层光催化性能的影响机制。研究结果如下:V添加量为12.60at.%可形成以非晶为主的黑色陶瓷层:经500℃×1h 退火处理后,V添加TiO2陶瓷层Lab值由18.55变为26.73,但仍为黑色系,陶瓷层物相以锐钛矿和金红石型TiO2为主,同时还有少量V2O5,XPS分析V元素的价态可知,V5+占V元素的69.35%,其余的30.65%为V3+。相比于微弧氧化TiO2陶瓷层,V-TiO2陶瓷层在紫外-可见光照射下的吸收率为...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光阳极结构
西安理工大学硕士学位论文4一方面，光生空穴具有强氧化性可直接与吸附于表面的OH-离子与水分子反应，生成具有强氧化性羟基自由基(OH)；吸附于TiO2表面的O2则与具有强还原性的电子反应生成超氧离子(O2-)；这些生成的过氧化物离子和羟基具有非常强的氧化作用，所以当TiO2表面附着污染物时，在紫外光的照射下在其表面生成的过氧化物就可以将这些有机污染物分解为H2O和CO2[32-33]。图1-2TiO2的光催化反应过程Fig.1-2PhotocatalyticreactionprocessofTiO21.3.2薄膜TiO2光催化性能的缺点TiO2带隙较宽，只能被波长小于388nm的紫外光（占太阳光谱总能量的4%左右）激发，太阳光可响应光波范围太窄，对太阳光的利用率低[34]；在光催化反应过程中光生电子和空穴极易发生复合以热的形式或其他能散发掉，使转移到表面吸附物种上的电子和空穴数量大为减少，量子产率偏低，产生具有强氧化性的羟基少。1.4薄膜TiO2光催化性能的改善方法1.4.1拓展TiO2光波响应范围（1）离子掺杂由半导体的能带理论[35]可知，其导带能级主要取决于TiO2中金属离子Ti4+上空的d轨道能级，而价带能级是取决于TiO2的非金属O2-离子充满的p轨道能级，因此我们想要减少TiO2禁带宽度就需要提高其光催化剂的价带电位或者降低其导带电位，或者同时改变。离子掺杂分为金属离子掺杂和非金属离子掺杂。金属离子掺杂[36-40]是根据金属离子d轨道能量高，进入O2晶格当中形成置换固溶体或者间隙固溶体，在不改变TiO2主体晶格的前提下，改变其化学组成和电子结构，可以提高原有Ti2d轨道的价带电位形成杂质能级使光生电子能很容易的被激发，使光波响应范围拓宽到可见光区域。掺杂元素需在钛元素附近，半径与Ti4+的半径接近，还要综合考虑它的电子轨道、电位。常用的掺杂金属为卤族元素，主要有Fe[
TiO2薄膜，发现其降解甲基橙的降解率大于未沉积Au的TiO2，这是因为Au颗粒促进了光生电子和空穴的分离。李粉玲[76]通过模拟计算发现杂质能级是由Pd与O2p的轨道或Ti3d的轨道杂化形成，Pd掺杂TiO2的杂质能级出现在导带下方，并且费米能级穿过了禁带中的杂质能级，这种杂质能级会成为浅施主能级，提高了TiO2的光催化效率。但沉积的贵金属易在TiO2表面发生富集，减少TiO2表面与污染物的接触范围，进而降低了光催化率。（2）半导体复合将TiO2与其它Eg匹配但能带结构不同的半导体进行复合的过程，称为半导体复合，其光催化原理如图1-3所示[77-78]当被太阳光激发时，空穴从价带电势较高的一个半导体迁移到另一个半导体的价带上，电子从导带电势较低的一个半导体迁移到另一个半导体的导带上，这样可以使光生电子和空穴分别处在两个不同的半导体上，减小了光生电子与空穴的复合，提高了载流子密度，从而增大了TiO2的光催化效率。图1-3复合半导体的光催化原理Fig.1-3Photocatalyticprincipleofcompositesemiconductor复合半导体有两种：宽带隙半导体复合和窄带隙半导体复合。比TiO2禁带宽度宽的宽带隙半导体复合只是促进了两个半导体相互之间的光生电子与空穴的分离，提高载流子密度。而比TiO2禁带宽度窄的窄带隙半导体复合不仅促进了两个半导体之间光生电子与空穴的分离，提高载流子密度，而且还由于窄带隙半导体可以吸收比TiO2可吸收波长更长的光波，因此窄带隙半导体与TiO2复合的薄膜可以拓宽光波响应范围至可见光。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Town-scale microbial sewer community and H2S emissions response to common chemical and biological dosing treatments[J]. Elizabeth R.Mathews,Jennifer L.Wood,Dean Phillips,Nathan Billington,Dean Barnett,Ashley E.Franks. Journal of Environmental Sciences. 2020(01)
[2]化工生产过程中的废水处理方法研究[J]. 王龙闯,曲荣昌,魏亿萍,杜蕾,赵庆胜,尹进华. 上海化工. 2019(08)
[3]TiO2光催化原理及其应用综述[J]. 莫秋燕,曾凡菊,张颂,吴家隐. 科学技术创新. 2018(30)
[4]阳极氧化法可控制备二氧化钛纳米管阵列研究[J]. 赵宇,常成,陈磊,马金祥,熊超. 化学工程师. 2018(08)
[5]Fe2+浓度对2A12铝合金微弧氧化膜性能的影响[J]. 文陈,郝雪龙,崔庆新,白晶莹,张立功,李思振. 中国表面工程. 2017(05)
[6]微弧氧化彩色陶瓷膜的显色着色机理研究进展[J]. 黄然然,徐晋勇,高成,陶荟宇. 热加工工艺. 2017(12)
[7]两步法合成黑色TiO2及其光催化性能研究[J]. 熊剑,方微,闵捷,袁颂东,何禄英. 广东化工. 2017(07)
[8]TC4钛合金表面改性技术研究进展[J]. 赵晖,王宝婷,杜春燕,王思润,孟凡玲,张欣. 沈阳理工大学学报. 2017(02)
[9]泡沫钛生长二氧化钛纳米管的制备[J]. 崔光,孙进兴,刘培生. 稀有金属材料与工程. 2017(03)
[10]光电催化水处理技术研究新进展剖析[J]. 吴小琼,沈江珊,朱君秋,郑煜铭. 环境科学与技术. 2017(02)
博士论文
[1]太阳光响应型TiO2薄膜电极光电催化性能及机制研究[D]. 刘燕.四川农业大学 2017
[2]过渡金属簇修饰的钨系多金属氧酸盐的研究[D]. 刘竹君.东北师范大学 2016
[3]基于微弧氧化技术的TiO2膜制备、改性和光催化性能研究[D]. 罗强.华中科技大学 2014
[4]金属离子与非金属离子共掺杂TiO2薄膜电极的制备及可见光催化性能研究[D]. 周晓.华南理工大学 2014
[5]微弧氧化制备WO3/TiO2复合膜的结构与光催化性能研究[D]. 何剑.华中科技大学 2010
硕士论文
[1]TiO2基纳米复合薄膜的制备及光催化性能研究[D]. 郭静.西安理工大学 2018
[2]黑色TiO2的改性及其光催化性能研究[D]. 范鸿梅.新疆大学 2018
[3]疏水性空心SiO2/TiO2光催化剂的制备及处理染色纸造纸废水的研究[D]. 解博.广西大学 2014
[4]微弧氧化法钛合金表面有色膜层制备及热稳定性研究[D]. 胡冰.哈尔滨工业大学 2014
[5]染料光敏化TiO2及赤铁矿光电催化氧化As（Ⅲ）[D]. 朱红乔.浙江大学 2014
[6]增强可见光吸收和光催化效率的黑色二氧化钛的机理和性质的探究[D]. 李明阳.兰州大学 2013
[7]二氧化钛薄膜的原位制备及其光电催化性能研究[D]. 欧犇.西南石油大学 2012
[8]钙钛矿结构的能带计算[D]. 朱宇昕.西安电子科技大学 2007
本文编号：3474093
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光阳极结构
西安理工大学硕士学位论文4一方面，光生空穴具有强氧化性可直接与吸附于表面的OH-离子与水分子反应，生成具有强氧化性羟基自由基(OH)；吸附于TiO2表面的O2则与具有强还原性的电子反应生成超氧离子(O2-)；这些生成的过氧化物离子和羟基具有非常强的氧化作用，所以当TiO2表面附着污染物时，在紫外光的照射下在其表面生成的过氧化物就可以将这些有机污染物分解为H2O和CO2[32-33]。图1-2TiO2的光催化反应过程Fig.1-2PhotocatalyticreactionprocessofTiO21.3.2薄膜TiO2光催化性能的缺点TiO2带隙较宽，只能被波长小于388nm的紫外光（占太阳光谱总能量的4%左右）激发，太阳光可响应光波范围太窄，对太阳光的利用率低[34]；在光催化反应过程中光生电子和空穴极易发生复合以热的形式或其他能散发掉，使转移到表面吸附物种上的电子和空穴数量大为减少，量子产率偏低，产生具有强氧化性的羟基少。1.4薄膜TiO2光催化性能的改善方法1.4.1拓展TiO2光波响应范围（1）离子掺杂由半导体的能带理论[35]可知，其导带能级主要取决于TiO2中金属离子Ti4+上空的d轨道能级，而价带能级是取决于TiO2的非金属O2-离子充满的p轨道能级，因此我们想要减少TiO2禁带宽度就需要提高其光催化剂的价带电位或者降低其导带电位，或者同时改变。离子掺杂分为金属离子掺杂和非金属离子掺杂。金属离子掺杂[36-40]是根据金属离子d轨道能量高，进入O2晶格当中形成置换固溶体或者间隙固溶体，在不改变TiO2主体晶格的前提下，改变其化学组成和电子结构，可以提高原有Ti2d轨道的价带电位形成杂质能级使光生电子能很容易的被激发，使光波响应范围拓宽到可见光区域。掺杂元素需在钛元素附近，半径与Ti4+的半径接近，还要综合考虑它的电子轨道、电位。常用的掺杂金属为卤族元素，主要有Fe[
TiO2薄膜，发现其降解甲基橙的降解率大于未沉积Au的TiO2，这是因为Au颗粒促进了光生电子和空穴的分离。李粉玲[76]通过模拟计算发现杂质能级是由Pd与O2p的轨道或Ti3d的轨道杂化形成，Pd掺杂TiO2的杂质能级出现在导带下方，并且费米能级穿过了禁带中的杂质能级，这种杂质能级会成为浅施主能级，提高了TiO2的光催化效率。但沉积的贵金属易在TiO2表面发生富集，减少TiO2表面与污染物的接触范围，进而降低了光催化率。（2）半导体复合将TiO2与其它Eg匹配但能带结构不同的半导体进行复合的过程，称为半导体复合，其光催化原理如图1-3所示[77-78]当被太阳光激发时，空穴从价带电势较高的一个半导体迁移到另一个半导体的价带上，电子从导带电势较低的一个半导体迁移到另一个半导体的导带上，这样可以使光生电子和空穴分别处在两个不同的半导体上，减小了光生电子与空穴的复合，提高了载流子密度，从而增大了TiO2的光催化效率。图1-3复合半导体的光催化原理Fig.1-3Photocatalyticprincipleofcompositesemiconductor复合半导体有两种：宽带隙半导体复合和窄带隙半导体复合。比TiO2禁带宽度宽的宽带隙半导体复合只是促进了两个半导体相互之间的光生电子与空穴的分离，提高载流子密度。而比TiO2禁带宽度窄的窄带隙半导体复合不仅促进了两个半导体之间光生电子与空穴的分离，提高载流子密度，而且还由于窄带隙半导体可以吸收比TiO2可吸收波长更长的光波，因此窄带隙半导体与TiO2复合的薄膜可以拓宽光波响应范围至可见光。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Town-scale microbial sewer community and H2S emissions response to common chemical and biological dosing treatments[J]. Elizabeth R.Mathews,Jennifer L.Wood,Dean Phillips,Nathan Billington,Dean Barnett,Ashley E.Franks. Journal of Environmental Sciences. 2020(01)
[2]化工生产过程中的废水处理方法研究[J]. 王龙闯,曲荣昌,魏亿萍,杜蕾,赵庆胜,尹进华. 上海化工. 2019(08)
[3]TiO2光催化原理及其应用综述[J]. 莫秋燕,曾凡菊,张颂,吴家隐. 科学技术创新. 2018(30)
[4]阳极氧化法可控制备二氧化钛纳米管阵列研究[J]. 赵宇,常成,陈磊,马金祥,熊超. 化学工程师. 2018(08)
[5]Fe2+浓度对2A12铝合金微弧氧化膜性能的影响[J]. 文陈,郝雪龙,崔庆新,白晶莹,张立功,李思振. 中国表面工程. 2017(05)
[6]微弧氧化彩色陶瓷膜的显色着色机理研究进展[J]. 黄然然,徐晋勇,高成,陶荟宇. 热加工工艺. 2017(12)
[7]两步法合成黑色TiO2及其光催化性能研究[J]. 熊剑,方微,闵捷,袁颂东,何禄英. 广东化工. 2017(07)
[8]TC4钛合金表面改性技术研究进展[J]. 赵晖,王宝婷,杜春燕,王思润,孟凡玲,张欣. 沈阳理工大学学报. 2017(02)
[9]泡沫钛生长二氧化钛纳米管的制备[J]. 崔光,孙进兴,刘培生. 稀有金属材料与工程. 2017(03)
[10]光电催化水处理技术研究新进展剖析[J]. 吴小琼,沈江珊,朱君秋,郑煜铭. 环境科学与技术. 2017(02)
博士论文
[1]太阳光响应型TiO2薄膜电极光电催化性能及机制研究[D]. 刘燕.四川农业大学 2017
[2]过渡金属簇修饰的钨系多金属氧酸盐的研究[D]. 刘竹君.东北师范大学 2016
[3]基于微弧氧化技术的TiO2膜制备、改性和光催化性能研究[D]. 罗强.华中科技大学 2014
[4]金属离子与非金属离子共掺杂TiO2薄膜电极的制备及可见光催化性能研究[D]. 周晓.华南理工大学 2014
[5]微弧氧化制备WO3/TiO2复合膜的结构与光催化性能研究[D]. 何剑.华中科技大学 2010
硕士论文
[1]TiO2基纳米复合薄膜的制备及光催化性能研究[D]. 郭静.西安理工大学 2018
[2]黑色TiO2的改性及其光催化性能研究[D]. 范鸿梅.新疆大学 2018
[3]疏水性空心SiO2/TiO2光催化剂的制备及处理染色纸造纸废水的研究[D]. 解博.广西大学 2014
[4]微弧氧化法钛合金表面有色膜层制备及热稳定性研究[D]. 胡冰.哈尔滨工业大学 2014
[5]染料光敏化TiO2及赤铁矿光电催化氧化As（Ⅲ）[D]. 朱红乔.浙江大学 2014
[6]增强可见光吸收和光催化效率的黑色二氧化钛的机理和性质的探究[D]. 李明阳.兰州大学 2013
[7]二氧化钛薄膜的原位制备及其光电催化性能研究[D]. 欧犇.西南石油大学 2012
[8]钙钛矿结构的能带计算[D]. 朱宇昕.西安电子科技大学 2007
本文编号：3474093
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