TiO_2光催化剂的改性研究及其器件化应用

发布时间：2017-10-06 01:43

  本文关键词：TiO_2光催化剂的改性研究及其器件化应用

  更多相关文章： 二氧化钛 光催化 降解 有机染料 光驱动燃料电池 改性

【摘要】：由于化学稳定性高、耐光腐蚀性和环境友好等特点,TiO2纳米材料近年来成为光催化污水处理领域的研究焦点。但是,宽的禁带宽度和高的载流子复合率使得TiO2材料直接作为高性能可见光催化剂的可能性变得微乎其微。窄化带隙并抑制载流子的复合是提高TiO2材料可见光催化性能的必经之路。本文通过测试掺杂改性和异质结结构改性后TiO2基光催化剂的催化性能发现这两种改性方法都有其各自的缺陷。为了获得高性能的TiO2基光催化剂,我们用与碳材料形成复合结构的方法对其进行了改性研究。结果表明,合理的TiO2/C复合结构不仅可以有效地提高TiO2材料的光催化效率,而且可以实现催化剂的回收利用,是TiO2基光催化剂迈向实际应用的关键。在进一步提高催化剂中电子空穴分离效率的研究中,我们猜想并完善了一种新型光催化器件——光驱动燃料电池的设计。光驱动燃料电池集有机物光降解处理和发电为一体,是污水处理手段和产能手段的理想结合。但是其对电极材料的要求比较严格,因此仍需要大量的实验来加以研究。为了窄化带隙并提高载流子的分离效率,我们分别用掺杂、表面修饰及与碳材料复合等方式对TiO2光催化剂进行了改性研究,并对其器件化发展做出了分析。主要研究内容如下：(1)我们用水热法制备了Fe掺杂的TiO2纳米颗粒,并测试了其光催化降解亚甲基蓝的性能。实验结果表明,掺杂确实可以实现TiO2材料对可见光的吸收利用。但是掺杂的Fe离子同时也扮演着载流子复合中心的角色,对TiO2的催化性能反而有抑制作用。将纯TiO2纳米材料在氢等离子体处理后,可以得到黑色的纳米TiO2。黑色TiO2属于自掺杂的TiO2材料,可以吸收利用大部分的可见光,甚至部分的近红外光。而其优良的可见光催化降解有机物的性能主要是由能够吸收利用可见光、大量的表面氧空位及Ti-H键作为电子的捕获剂导致载流子的有效分离等特性所共同决定的；(2)为了避免掺杂引起载流子复合率升高现象的出现,我们用一些常见的窄禁带过渡金属氧化物对TiO2纳米颗粒进行表面修饰,制备出了TiO2基异质结光催化剂,藉此实现其对可见光的吸收利用并提高载流子的分离效果。实验发现,Type Ⅰ型异质结光催化剂虽然也可以实现对可见光的吸收利用,但是其并不能实现光生电子空穴的有效分离,进而导致较差的光催化降解效果。而TypeⅡ型异质结光催化剂合理的能带结构使得其电子空穴的分离效率有所提高,但是其光催化降解有机物的性能却并不理想。这说明电子空穴的有效分离并不是增强光催化剂催化效果的唯一决定因素,催化剂上空穴的最终能量位置则是更关键的因素；(3)我们研究了包覆的非晶碳含量对TiO2/C复合结构光催化性能的影响。测试表征发现,在煅烧处理过程中,适量的碳包覆有利于调控TiO2颗粒表面的氧空位含量。包覆的碳在测试中可以促进电子空穴的分离,使得复合结构拥有较高的光催化性能。随后我们通过分别选择微米级的还原氧化石墨烯球(rGO)、石墨粉和碳纤维为碳基体,制备得到了能够从溶液中自沉降分离的TiO2/C复合结构。通过对其各自的光催化降解性能进行测试发现,TiO2/rGO复合结构对有机染料有着极强的吸附能力,然而其光催化降解有机物的性能却不是很稳定,不利于其在实际中的应用。而TiO2/石墨粉复合结构的光催化性能比原始TiO2纳米颗粒的催化性能较好,而且其循环测试性能也比较稳定。但是TiO2颗粒是靠着简单的物理吸附作用附着在石墨粉上的,其结构稳定性不是很高。最后我们依靠自模板的方式制备得到了TiO2/多孔碳纤维的复合结构。TiO2与碳纤维之间的化学接触及多孔碳的吸附性能使得复合结构拥有极好的光催化降解有机物性能,这为后续高性能TiO2基光催化剂的制备提供了新的思路；(4)通过细致分析增强电子空穴对分离效果的整个发展历程,并结合已有电化学电池的结构,我们设计出了一种新型的电化学电池——光驱动燃料电池。光驱动燃料电池用光催化氧化有机物的反应代替传统燃料电池的负极反应,实现了光催化反应中电子空穴对的最佳分离效果,完成了光催化降解有机物器件化的雏形设计,为光催化在实际生产生活中的应用开辟了新的道路。由于整个反应对光阳极结构和性能的要求较高,因而TiO2光阳极的制备需要进行大量的实验摸索。
【关键词】：二氧化钛 光催化 降解 有机染料 光驱动燃料电池 改性
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ134.11;O643.36
【目录】：

• 中文摘要3-5
• Abstract5-12
• 第一章 绪论12-44
• 1.1 研究背景及意义12
• 1.2 常见水体污染处理方法的比较12-13
• 1.3 光催化13-16
• 1.3.1 光催化的定义13
• 1.3.2 光催化剂的材料13-14
• 1.3.3 光催化的机理14-16
• 1.3.4 光催化在污水处理中的优势16
• 1.4 纳米TiO_2光催化剂16-31
• 1.4.1 TiO_2材料简介16-18
• 1.4.2 TiO_2的优缺点18-20
• 1.4.3 纳米TiO_2的制备20-25
• 1.4.4 影响纳米TiO_2催化性能的因素25-26
• 1.4.5 纳米TiO_2的改性26-28
• 1.4.6 纳米TiO_2光催化剂在实际应用中存在的问题28-29
• 1.4.7 TiO_2材料在光电器件领域的应用29-31
• 1.5 本论文的研究内容及意义31-32
• 1.5.1 研究内容31-32
• 1.5.2 研究意义32
• 参考文献32-44
• 第二章 纳米TiO_2的改性研究44-76
• 2.1 表征仪器信息44
• 2.2 Fe掺杂的TiO_2纳米催化剂44-52
• 2.2.1 Fe掺杂TiO_2纳米颗粒的水热制备45
• 2.2.2 Fe掺杂TiO_2纳米颗粒光催化性能的测试45-46
• 2.2.3 Fe掺杂TiO_2纳米颗粒的形貌表征及成分分析46-50
• 2.2.4 Fe掺杂TiO_2纳米颗粒的光催化性能50-52
• 2.3 过渡金属氧化物表面修饰的TiO_2纳米颗粒52-63
• 2.3.1 Fe_2O_3/TiO_2异质结结构的光催化性能52-57
• 2.3.2 CO_3O_4/TiO_2异质结结构的光催化性能57-63
• 2.4 氢等离子体处理法制备黑色TiO_2及其光催化性能63-72
• 2.4.1 黑色TiO_2的制备63-64
• 2.4.2 黑色TiO_2光催化性能测试64-65
• 2.4.3 黑色TiO_2的形貌及结构表征65-68
• 2.4.4 黑色TiO_2的光催化性能分析68-70
• 2.4.5 黑色TiO_2的形成机理70-72
• 2.5 本章小结72
• 参考文献72-76
• 第三章 纳米TiO_2/碳复合结构的制备及其光催化性能76-110
• 3.1 碳在TiO_2/C复合结构中的作用76-84
• 3.1.1 不同C/TiO_2复合结构的简易制备77-78
• 3.1.2 C/TiO_2复合材料的光催化性能测试78
• 3.1.3 C/TiO_2复合材料的形貌和晶相结构分析78-82
• 3.1.4 C/TiO_2复合材料的光催化降解性能82-83
• 3.1.5 碳的不同存在形式在复合材料中的作用分析83-84
• 3.2 TiO_2/还原氧化石墨烯复合微米球的制备及其光催化性能84-89
• 3.2.1 TiO_2/还原氧化石墨烯微球的制备84-85
• 3.2.2 P25/rGO微球的形貌表征85-87
• 3.2.3 P25/rGO微球的光催化性能87-88
• 3.2.4 P25/rGO微球中的载流子复合88-89
• 3.3 TiO_2/石墨粉的物理法组装及其光催化性能89-94
• 3.3.1 TiO_2/石墨粉复合结构的制备89-90
• 3.3.2 TiO_2/石墨粉复合结构的物理法自组装机理90-91
• 3.3.3 TiO_2/石墨粉复合结构的形貌、晶相表征91-92
• 3.3.4 TiO_2/石墨粉的光催化稳定性能92-94
• 3.4 TiO_2/多孔碳纤维复合结构的制备及其光催化性能94-106
• 3.4.1 TiO_2/多孔碳纤维的制备94
• 3.4.2 表面活性剂对TiO_2/CF复合结构的影响94-97
• 3.4.3 退火温度对TiO_2/CF复合结构的影响97-100
• 3.4.4 TiO_2/多孔碳纤维的形成机理100-102
• 3.4.5 TiO_2/多孔碳纤维的光催化性能及其机理分析102-106
• 3.5 本章小结106
• 参考文献106-110
• 第四章 TiO_2光催化剂的器件化应用110-122
• 4.1 研究思路110-112
• 4.2 光驱动燃料电池的基本结构112-113
• 4.3 光驱动燃料电池与染料敏化太阳能电池的比较113-114
• 4.4 光驱动燃料电池的光阳极114-118
• 4.5 本章小结118
• 参考文献118-122
• 第五章 总结与展望122-126
• 5.1 总结122-123
• 5.2 展望123-126
• 在学期间的研究成果126-128
• 致谢128-129

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 张世英;游洋;万隆;许第发;;溶胶-凝胶法制备TiO_2连续纤维的形貌与结构[J];硅酸盐学报;2011年03期

2 朱斌;戴遐明;李庆丰;邓长生;;模板法合成TiO_2纳米阵列及其微观结构表征[J];过程工程学报;2007年01期

3 舒小昀;;工业革命:从生物能源向矿物能源的转变[J];史学月刊;2009年11期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 刘冰;介孔硅基材料的制备及其在低浓度污水处理中的应用[D];北京化工大学;2008年

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本文编号：980018