TiO2基纳米管复合材料的制备及其光电催化降解性能的研究

摘要

随着有机废水的污染日益加剧，绿色发展的理念为污染减排提出了更高的要求。传统有机废水处理技术因应用范围窄、易造成二次污染而限制了其应用。以TiO2为首的光催化处理有机废水技术因效能高、无二次污染以及符合绿色化学和循环经济理念的优势，在有机废水处理领域应用广泛。其中TiO2基纳米管（TNT）材料具有较大的比表面积、较强的电子传输能力、高度有序的阵列结构，受到广泛的关注。但是，可见光响应问题和电子-空穴快速复合问题制约着TiO2基纳米管材料的实际应用。针对上述难题，对TNT材料进行改性，本课题制备了Ag-TNT、Cu2O-TNT、Cu2O-Ag-TNT复合材料。同时，将外加电场引入到光催化技术中，研究了可见光下光电协同催化降解亚甲基蓝有机废水的光电催化活性。主要内容及结论如下： （1）利用阳极氧化法在含F-的有机溶液体系中制备了TiO2基纳米管材料，确定了适合降解MB废水的TiO2纳米管材料最佳制备条件，即NH4F的质量浓度为0.6%，EG与H2O的体积比例为97∶3，阴阳极距离为3cm，电位为40V，电解时间为2h。 （2）通过对Ag-TNT复合材料的制备与光催化性能研究，确定了Ag纳米颗粒最佳的光沉积时间为20min，此时的Ag的沉积量为最佳沉积量，Ag元素质量分数为1.32%。通过Cu2O-TNT复合材料的制备与光催化性能研究，确定了Cu2O纳米颗粒最佳的电沉积电荷量为600mC，此时的Cu2O的沉积量为最佳沉积量，Cu元素质量分数为12.03%。 （3）由TNT，Cu2O纳米颗粒和Ag组成的Z型异质结催化剂CAT-4-60在太阳能收集和改善电荷分离过程方面表现出优异的性能，并且可以作为延长光催化剂光吸收范围的有用策略。对于40mL浓度为5mg/L的M B染料降解的光催化结果表明，CAT-4-60样品在90分钟光照下动力学速率常数为0.04761min-1，表现出最大降解效率为98.58％。通过XPS，对Cu进行价态分析，发现CAT-4-60的Z-方案异质结中的Cu（Ⅰ）较为稳定，并且循环实验多次循环下，CAT-4-60依旧稳定高效。 （4）对CAT-4-60作为光电阳极进行光电协同催化降解MB的影响因素进行了研究。确立了CAT-4-60作为光电阳极进行光电协同催化降解MB的最佳条件，即电解液中NaCl浓度为0.2mol/L、电解液pH=9、外加阳极电位为2V、MB的初始浓度为20mg/L。在最佳条件下，CAT-4-60作为光电阳极进行光电协同催化降解MB，MB大约能够去除95%，远高于纯光催化的50%。电场的加入明显增强的CAT-4-60的光催化降解MB的效率可以改善纯TNT的可见光响应问题和电子-空穴快速复合问题。这对TNT在光电协同催化降解有机废水领域的应用具有重大的意义。

目录

前言

1文献综述

1.1研究背景

1.2TiO2的基本性质

1.3TiO2光催化技术的原理

1.4TiO2纳米管的制备方法

1.4.1TiO2纳米管的制备技术

1.4.2阳极氧化技术的发展

1.5TiO2纳米管的形成机理

1.5.1场致溶解理论

1.5.2黏性流动模型与氧气模具效应

1.5.3两电流模型和氧气模具效应

1.6TiO2的改性

1.6.1非金属离子掺杂

1.6.2金属离子掺杂

1.6.3贵重金属沉积

1.6.4复合材料

1.6.5自掺杂改性

1.7TiO2基纳米管光催化技术的应用

1.7.1传感器

1.7.2光解水产氢

1.7.3染料敏化太阳能电池

1.7.4有机污染物的降解

1.7.5生物医学

1.8本课题研究目的与内容

1.9本课题实验技术路线图

2实验综述

2.1实验药品与设备

2.1.1实验药品

2.1.2实验设备

2.2样品的表征方法

2.2.1扫描电镜与透射电镜

2.2.2XRD与XPS

2.2.3紫外-可见漫反射光谱和光致荧光光谱

2.3样品的性能测试

2.3.1电化学性能测试

2.3.2光催化性能测试

3TiO2基纳米管复合材料的制备与光催化性能

3.1TiO2基纳米管的制备

3.1.1实验过程

3.1.2NH4F浓度对TNT样品的光催化活性的影响

3.1.3EG与H2O比例对TNT样品的光催化活性的影响

3.1.4电位对TNT样品的光催化活性的影响

3.1.5电解时间对TNT样品的光催化活性的影响

3.2Ag-TNT复合材料的制备与光催化性能

3.2.1Ag-TNT复合材料的制备的实验过程

3.2.2Ag的掺杂量对于光催化性能的影响

3.3Cu2O-TNT复合材料的制备与光催化性能

3.3.1Cu2O-TNT复合材料的制备的实验过程

3.3.2Cu2O的沉积量对于光催化性能的影响

3.4本章小结

4Cu2O-Ag-TNT复合材料的制备与光催化性能

4.1引言

4.2实验部分

4.3结果讨论

4.3.1结构形态分析

4.3.2结构和元素组成分析

4.3.3紫外-可见漫反射光谱和光致荧光光谱分析

4.3.4电化学分析

4.3.5光催化性能

4.3.6稳定性分析

4.3.7机理讨论

4.4本章小结

5Cu2O/Ag/TiO2纳米管复合材料的光电催化性能

5.1引言

5.2实验部分

5.2.1污染物初始浓度的影响

5.2.2电位的影响

5.2.3电解液离子浓度的影响

5.2.4pH的影响

5.3结果讨论

5.3.1电解液离子浓度的影响结果分析

5.3.2电位的影响结果分析

5.3.3pH的影响结果分析

5.3.4污染物初始浓度的影响结果分析

5.3.5CAT-4-60光电协同催化与光催化、电催化对比

5.4机理分析

5.5本章小结

结论

参考文献

致谢

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