纳米TiO_2调制结构对表面物质转化和能量传递的影响研究

发布时间：2017-07-20 06:04

  本文关键词：纳米TiO_2调制结构对表面物质转化和能量传递的影响研究

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【摘要】：能源和环境问题是人类面临的重要和亟待解决的问题。如何开发新型环保清洁的能源材料,同时解决环境污染问题成为急需面对的现实问题。作为一种重要的半导体材料,TiO2被广泛应用于各行各业,其中包括作为光催化剂实现光能向其他能量形式的转化,以及作为燃料电池中的电催化剂,促进化学能向电能的转化等。针对纳米TiO2半导体制备工艺复杂、带隙能过高、光生载流子利用率过低的现状,本文研究了纳米TiO2的制备新工艺,及N、F元素掺杂等因素对纳米Ti02结构和光能转化利用效率的影响,在此基础上,研究了外加直流电场对纳米TiO2光转化利用效率的影响,并对机理进行了讨论推断。最后,将纳米TiO2负载到还原氧化石墨烯(rGO)片层上,制备无金属TiO2/rGO复合材料,用作燃料电池阴极氧还原催化剂。进一步将这种复合材料作为贵金属Pt、Pd及Pt-Pd合金的载体,制备了负载少量贵金属的TiO2/rGO复合催化材料,并研究了复合材料在碱性条件下电催化氧还原的性能。材料的形貌和结构用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、高倍透射电镜(HRTEM)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis)、荧光发射光谱(FES)、拉曼光谱(RM)、X射线光电子能谱(XPS)等进行表征。材料对光能的转化与利用以材料对亚甲蓝的降解效果进行表征,分别采用紫外光源、可见光源照射及外加直流电场辅助的方法。材料的电化学性能用循环伏安法(CV)、Tafel测试法、计时电流(i-t)法等方法进行测试,材料的电催化氧还原机理用旋转圆盘电极(RDE)法和旋转环盘电极(RRDE)法进行测试讨论。研究结果如下：(1)用温和的水热一步合成法于200℃合成了几种纳米TiO2样品：A-TiO2(锐钛矿型纳米TiO2)、R-TiO2(金红石型纳米TiO2)、N-F-TiO2(N及F元素共掺杂的锐钛矿型纳米TiO2)和N-TiO2(N元素掺杂的锐钛矿型纳米TiO2)。通过改变简单的制备条件,可以制备不同晶型和不同组分含量的纳米TiO2。(2)N-F-TiO2和N-TiO2粒径小、光响应范围广,光生载流子的复合率低,掺杂后的纳米Ti02在可见光区域有较强吸收,可以充分转化并利用可见光对废水中的染料色素进行降解,在利用阳光降解污染物的水处理中有巨大的应用潜能。(3)外加电场导致纳米Ti02光能利用效率整体降低,可能是由于外加电场所产生的正、负电荷分别与部分光生载流子中和,导致了光生载流子的损失。对实验数据的一级动力学模拟表明,在本实验条件下,各反应均符合Langmuir-Chinshelwood动力学模式,反应为一级反应。(4)用简单的水热一步法制备了无金属的rGO负载纳米Ti02颗粒的TiO2/rGO复合电催化材料,TiO2/rGO复合催化材料的初始电催化氧还原电位为-0.2 V左右,相对应的氧还原电子转移数为3.98,为4电子反应过程。TiO2/rGO复合催化材料具有与传统的Pt(20%)/C催化材料相似的电催化活性和更高的电化学稳定性,可以将燃料的化学能高效稳定的转化为电能。(5) Pt/TiO2/rGO, Pd/TiO2/rGO, Pt-Pd/TiO2/rGO复合催化材料的初始氧还原电位也在-0.2 V左右,三种材料的交换电流密度均在10-6-10-5 mA/cm2之间,与商业Pt(20%)/C材料相似。经过16,000 s的循环后,电流密度仍为初始值的90%,而相同条件下业Pt(20%)/C材料的电流密度仅为初始值是的74%。TiO2/rGO复合催化材料与负载少量贵金属的TiO2/rGO复合催化材料在电催化氧还原的过程中展示出优良的电催化性能,是可以应用于燃料电池中的一种非常有潜力的电催化材料。
【关键词】：纳米TiO_2 光催化 电催化 活性 稳定性
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ134.11;TB383.1
【目录】：

• 摘要11-13
• ABSTRACT13-16
• 第1章 绪论16-42
• 1.1 研究背景与意义16-19
• 1.2 二氧化钛对光能的转化与利用19-31
• 1.2.1 光催化技术的研究现状19-21
• 1.2.2 半导体光催化技术21-23
• 1.2.3 纳米TiO_2光催化材料的研究进展23-31
• 1.3 TiO_2对化学能向电能的转化及利用31-39
• 1.3.1 膜34-35
• 1.3.2 催化剂35-38
• 1.3.3 当前的问题和未来的发展趋势38-39
• 1.3.4 结论39
• 1.4 论文目标及主要工作39-42
• 第2章 改性纳米TiO_2的制备及光催化性能研究42-60
• 2.1 实验部分42-45
• 2.1.1 主要仪器与试剂43
• 2.1.2 纳米TiO_2光催化材料的制备43-44
• 2.1.3 样品的表征44
• 2.1.4 样品光催化性能的测试44-45
• 2.2 实验结果及讨论45-59
• 2.2.1 样品的XRD图谱45-48
• 2.2.2 不同纳米TiO_2的TEM测试48-50
• 2.2.3 样品的X射线能谱及高分辨能谱测试50-52
• 2.2.4 样品的BET测试52-53
• 2.2.5 样品的UV-Vis吸收光谱分析53-55
• 2.2.6 样品的荧光发射光谱(FES)分析55-56
• 2.2.7 光催化性能的考察56-59
• 2.3 本章小结59-60
• 第3章 电场对纳米TiO_2光催化性能的影响研究60-76
• 3.1 实验部分61
• 3.1.1 纳米TiO_2光催化材料的制备61
• 3.1.2 样品的表征61
• 3.1.3 电场协助下样品光催化性能的测试61
• 3.2 实验结果及讨论61-74
• 3.2.1 样品的XRD图谱61-63
• 3.2.2 样品的HRTEM表征63-65
• 3.2.3 样品的BET测试65-66
• 3.2.4 外加电场对纳米TiO_2光催化性能的影响66-74
• 3.3 本章小结74-76
• 第4章 TiO_2/rGO复合材料电催化氧还原性能研究76-92
• 4.1 实验部分77-79
• 4.1.1 样品的制备77-78
• 4.1.2 物象表征78
• 4.1.3 电极的制备及电化学性能的表征78-79
• 4.2 结果及讨论79-89
• 4.2.1 材料的表征79-84
• 4.2.2 电化学性能测试84-89
• 4.3 本章小结89-92
• 第5章 贵金属/TiO_2/rGO复合材料电催化氧还原性能研究92-110
• 5.1 实验93-95
• 5.1.1 实验仪器与试剂93
• 5.1.2 实验内容93-95
• 5.2 结果与讨论95-109
• 5.2.1 乙二醇还原法制备的催化材料的XRD分析95-96
• 5.2.2 硼氢化钠还原法制备的催化材料的XRD分析96-97
• 5.2.3 催化材料的SEM分析97-98
• 5.2.4 催化材料的TEM及HRTEM分析98
• 5.2.5 TiO_2/rGO负载Pt、Pd贵金属电催化氧还原性能的研究98-104
• 5.2.6 TiO_2/rGO负载Pt等贵金属催化剂的RDE和RRDE分析104-109
• 5.3 本章小结109-110
• 第6章 全文总结与展望110-114
• 6.1 全文总结110-112
• 6.2 本文的主要创新点112-113
• 6.3 不足与展望113-114
• 参考文献114-140
• 致谢140-142
• 攻读博士学位期间发表的学术论文及专利目录142-146
• English Paper146-184
• PaperⅠ146-164
• PaperⅡ164-184
• 学位论文评阅及答辩情况表184

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

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本文编号：566511