改性 TiO2纳米管光电极制备及可见光下光电催化性能研究-环境科学与工程专业论文.docxVIP

Classified Index: X703.1 U.D.C: 628.16 Dissertation for the Master Degree in Engineering PREPARATION AND PHOTOELECTROCATALYTIC AVTIVITY OF DOPED TiO2 NANOTUBE PHOTOELECTRODES UNDER VISIBLE LIGHT Candidate： Zhou Yabin Supervisor： Prof. Liu Huiling Academic Degree Applied for： Master of Engineering Speciality： Environmental Sci. and Eng. Affiliation： School of Muni. and Envi. Eng. Date of Defence： June, 2011 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology - III - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘 要 TiO2 催化剂由于其成本低、无毒、活性高、无二次污染等优点在环境保护 领域被广泛应用于去除难降解有机物。然而，其存在禁带宽度过大(3.2 eV)等缺 陷，限制了其在污染治理中的应用。通过对 TiO2 进行过渡金属离子掺杂能够有 效减小其禁带宽度，拓宽光谱响应范围。作为内分泌干扰物的一种，壬基酚广 泛存在于洗涤剂 、纺织 、造纸等工业生产中 ，它能够长期存在于自然界 中 ， 很难被 生 物降解 ， 其降解 一 直是国 内 外研究 的 热点和 难 点。本 文 采用阳 极 氧化法制备了 TiO2 纳米管光电极，通过电沉积对其进行 W 掺杂改性，拓宽了 其光谱响应范围，研究了 W/TNT 光电极对壬基酚的光电催化降解效果。 采用阳极氧化法制备了 TiO2 纳米管（TNT）光电极。考察了制备电压、时 间、煅烧温度等条件对 TNT 阵列的表面形貌和结构的影响，利用扫描电子显微 镜（SEM）、X 射线衍射（XRD）、能量散射 X 射线能谱（EDX）等手段对光电 极进行了表征。以罗丹明 B 为目标污染物，考察了不同制备条件对 TNT 光电极 在可见光下的光催化性能的影响。结果表明，通过调节阳极氧化过程中的参数 可以实现对不同尺寸和结构的 TNT 光电极的可控制备。 采用电化学沉积的方法，以 TNT 阵列光电极为基体，制备了 W 掺杂的 TiO2 纳米管阵列光电极。优化了 W/TNT 光电极的最佳掺杂条件，考察了 W/TNT 光 电极的光催化性能。结果表明，光电极的最佳制备条件为：沉积电压为 3V、电 极间距为 1cm、沉积液(NH4)2WO4 浓度为 1.0g/L、沉积时间为 10min、煅烧处理 温度为 550℃。 W/TNT 光电极的表征结果显示 W 的掺杂会抑制锐钛矿相 TiO2 晶粒的生长 以及晶相转变过程；XPS 图谱分析表明 W 元素通过掺杂进入到了 TiO2 晶格内 部形成 W-Ti-O 键；WTNT 光电极对可见光的光谱响应范围发生红移；改性与 未改性 TiO2 纳米管光电极对罗丹明 B 的降解效果表明，相对于未掺杂的 TNT 光电极，W/TNT 光电极对罗丹明 B 的降解效果更优，掺杂后的光电极具有更佳 的光（电）催化活性。 采用 W/TNT 光电极在可见光下对内分泌干扰物壬基酚进行光电催化降解， 考察了壬基酚光电催化降解过程中的影响因素，研究了该过程中壬基酚的矿化 过程。结果表明，pH 值在中性条件下，光电极对壬基酚的光电催化降解效果最 佳；随着反应中壬基酚初始浓度增加，W/TNT 光电极对壬基酚的降解效率逐渐 下降；随着外加偏压的增加，壬基酚的光电催化降解效率逐渐增大，而外加偏 - I - - - PAGE IV - - - III - 压高于 2.0V 时，进一步增加电压反而不利于壬基酚的降解；催化剂面积的增大， 有利于光电极对壬基酚光电催化降解效果的提高。 在壬基酚光电催化反应过程中，壬基酚分子在·OH 的作用下经过一系列 反应转化为中间产物，而不是被完全矿化成 CO2 和 H2O。 关键词：TiO2 纳米管；金属离子掺杂；光电催化；壬基酚 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Abstract Titanium dioxide (TiO2) has been widely utilized in the environmental protect