氟化TiO和WO薄膜的电化学制备、表征及其光电化学性能的研究

摘要

近年来，半导体光催化技术在光电转换以及降解环境污染物等方面得到了广泛的研究。TiO2由于具有活性高、光化学性质稳定、无毒等优点而成为首选。但是由于其光催化反应速率还很低(不大于1％)，对太阳光吸收范围窄，只能吸收紫外光部分，限制了其对太阳能的利用。因此，本文对TiO2表面进行电化学氟化的方法米提高其光电化学性能，同时该方法拓展到WO3以提高其可见光的光电化学性能。
　　 第一部分，主要探索了提高锐钛矿型TiO2光电化学和光催化活性的方法。采用电化学刻蚀的方法。在含氟水溶液中对阳极氧化法和溶胶凝胶法制备的锐钛矿型电极进行电化学氟化，并与P25混晶电极进行对比。氟化电极的光电化学性能均大幅度地提高。以刻蚀和未刻蚀TiO2为光阳极，对活性艳红X3B污染物进行光催化(开路下)和光电催化(外加偏压)降解，发现刻蚀后氟化TiO2电极的催化降解活性也大大提高。采用多种物理化学手段对电极进行表征，包括XRD、Raman光谱、SEM、XPS、UV—Vis漫反射光谱、光致发光(PL)光谱等，研究了刻蚀对电极的结构、组成、表面形貌和吸光性能的影响，同时结合电化学和光电化学方法对电极的能带结构、界面性质和电荷转移动力学进行了研究，探讨了氟化TiO2光催化活性提高的机理。结果表明，刻蚀后电极性能提高的主要原因为，氟化导致了电极能带边缘的负移，提高了界面电荷转移速率常数。
　　 第二部分，主要探索了氟化对WO3的可见光光电化学性能的影响。以钛钣为基底，在含氟的酸性水溶液中，对电沉积制备的WO3薄膜电极进行电化学氟化刻蚀，并采用光电化学、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、光电子能谱(XPS)、紫外—可见漫反射光谱、光致发光(PL)等多种物理化学手段对电极进行了表征。结果表明，刻蚀不仅使电极比表面积增大，质量减少，重要的是可使电极表面状态发生变化。在相同催化剂质量和比表面积的条件下，这种变化显著提高了WO3溥膜电极在可见光和紫外—可见光照下的光电转换性能。刻蚀对电极的吸光性质和晶体结构等未检测出明显变化。氟化电极在酸性中具有良好的光电化学稳定性。机理研究表明，电极光电化学性能提高的原因可归因于：一方面，电极表面氟化刻蚀使得平带电位负移；另一方面，光生载流子表面复合中心数目减少。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.前言

2.半导体光催化基本原理

2.1半导体能带结构与光催化反应过程

2.2 TiO2光催化的反应机理

3.TiO2光催化的应用及其效率提高的途径

3.1影响TiO2光催化活性的因素

3.2 TiO2半导体光催化材料的改性

4.半导体光催化技术研究中存在的问题

5.WO3半导体光催化材料

5.1 WO3的晶型

5.2 WO3光催化材料研究现状

6.表面改性氟化光电催化材料的研究

6.1氟化氧化机理

6.2氟化TiO2的研究现状

7.论文选题的目的、意义及研究内容

7.1选题的目的和意义

7.2研究内容

本章参考文献

第二章研究方法

1.化学试剂和实验仪器

1.1化学试剂、规格和生产厂家

1.2实验仪器

2.研究方法

2.1电极制备及表征

2.2样品的表征

2.3光电化学测试方法

2.4光电催化降解实验测试方法

本章参考文献

第三章表面氟化TiO2薄膜的电化学制备、表征及其光电化学及光催化性能的研究

1.前言

2.实验方法

2.1 TiO2薄膜电极的制备

2.2 TiO2薄膜电极的表征

2.3光电化学和电化学测试

2.4光催化活性测试

3.实验结果与讨论

3.1光电化学性能测试

3.2光催化电极的表征

3.3光电极的元素组成

3.4电极的光吸收性质

3.5光致发光光谱(PL)

3.6平带电位与能带结构

3.7表面态

3.8紫外光下光电催化降解X3B

4.小结

本章参考文献

第四章含氟水溶液中电化学刻蚀制备氟化WO3薄膜电极及其可见光光电化学性能

1.前言

2.实验部分

2.1电极的制备

2.2光电极的表征

2.3光电化学测试

3.结果与讨论

3.1光电响应性能

3.2电极形貌和晶体结构

3.3化学组成

3.4光吸收性质

3.5光致发光

3.6平带电位

4.小结

本章参考文献

第五章总结与展望

1.总结

2.今后工作展望

论文创新点

致谢

附录：硕士期间完成和参与完成的论文