新型Ta/Al-Fe2O3、Fe2O3-FeOOH-NiOOH、和Fe2O3-MoS2光催化薄膜的制备及性能研究

摘要

光电催化技术既能利用太阳能高效地降解有机污染物又能同时进行光解水制氢，是一种绿色、无污染、可持续发展的新型工艺。其中发挥关键作用的便是高效、稳定的可见光响应型催化剂。
　　本文采用电沉积和滴涂法制备Ta、Al共掺杂的三元铁氧化物光催化薄膜，即Ta/Al-Fe2O3薄膜。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和紫外-可见反射光谱(UV-Vis)等检测方法对催化剂进行表征，结果表明Ta和Al成功地掺入Fe2O3薄膜中。Ta和Al的掺入有效地抑制光生电子-空穴的复合，提高了光电催化性能。以Cr(Ⅵ)和苯酚混合废水为目标污染物，考察Ta/Al-Fe2O3电极在可见光照下同时还原Cr(Ⅵ)和氧化苯酚的性能。结果表明，在可见光照射下，Ta/Al-Fe2O3复合薄膜降解Cr(Ⅵ)的反应速率约为Fe2O3薄膜的2倍，降解苯酚的反应速率约为Fe2O3薄膜的1.3倍。在pH=3，外加电压为3V，10 mg/L的Cr(Ⅵ)和30 mg/L苯酚的共存体系中，Ta/Al-Fe2O3复合薄膜的光电协同催化性能最佳。通过分析得到，Ta/Al-Fe2O3电极降解苯酚时，反应过程中的活性成分主要为O2·-和h+。
　　在此基础上，采用简单的电沉积和循环伏安沉积(CV)法成功地制备出Fe2O3-FeOOH-NiOOH复合薄膜，具有较高的光解水产氧活性及稳定性。在可见光条件下，NaOH溶液为电解质，在0.60 V vs.Ag/AgCl下，Fe2O3-FeOOH-NiOOH薄膜的光电流比Fe2O3薄膜高70倍，说明其光解水产氧能力大大增强。经表面谱学及光电性能表征结果可知，FeOOH和NiOOH成功地掺入Fe2O3薄膜中。以苯酚为目标污染物，研究Fe2O3-FeOOH-NiOOH薄膜在可见光条件下降解污染废水的处理效果。结果表明，光电催化共作用显著高于单纯光和单纯电作用，且Fe2O3-FeOOH-NiOOH复合薄膜降解苯酚的反应效率约为单纯Fe2O3薄膜的2倍。通过对复合薄膜进行4次的循环降解苯酚试验后，其仍具有良好的稳定性及重复利用性。
　　通过两步电沉积法制备出Fe2O3-MoS2复合薄膜。MoS2的成功掺入，大大地提高了光催化薄膜的光电催化活性。在可见光照射下，NaOH溶液中，在0.60 V vs.Ag/AgCl电压下，Fe2O3-MoS2比Fe2O3光电流高近78倍。复合薄膜能很好地抑制Fe2O3自身产生的光生电子-空穴的复合。由产氢性能的研究结果可知，Fe2O3-MoS2薄膜比Fe2O3薄膜更易光解水产氢。通过在表面沉积FeOOH和NiOOH，其稳定性大大提高。同样以苯酚为目标污染物，研究Fe2O3-MoS2薄膜在可见光条件下降解苯酚废水的处理效果。结果表明，Fe2O3-MoS2薄膜在光电协同作用下的反应速率比在单纯光和单纯电作用下分别高出2倍和3倍。Fe2O3-MoS2薄膜降解苯酚的去除率是Fe2O3的2倍。分析苯酚降解过程中的中间产物主要是苯醌和对苯二酚。其降解过程可能为:苯酚先降解生成苯醌和对二苯酚，随后，对二苯酚也可转化为苯醌，由于光电催化的强氧化作用下，苯醌开环生成有机酸，并最终被矿化为CO2和H2O。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 难降解废水概述

1．2．1 含Cr(Ⅵ)废水

1．2．2 含酚废水

1．3 高级氧化技术

1．3．1 电化学处理技术

1．3．2 光催化技术

1．3．3 光电催化技术

1．4 可见光响应催化材料的研究现状

1．4．1 铁氧化物光催化材料

1．4．2 助氧催化材料

1．4．3 其他半导体催化材料

1．5 论文研究目的、意义及内容

1．5．1 研究目的及意义

1．5．2 研究内容

第二章 Ta／Al-Fe2O3光电催化薄膜的制备及其光电催化协同降解Cr(Ⅵ)和苯酚的研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验材料与仪器

2．2．2 光催化薄膜的制备

2．2．3 光催化薄膜的表征

2．2．4 光电化学性能研究

2．2．5 光电催化协同降解Cr(Ⅵ)和苯酚废水性能研究

2．3 薄膜的表征结果分析

2．3．1 XRD分析结果

2．3．2 SEM分析结果

2．3．3 UV-Vis分析结果

2．4 光电化学性能研究

2．4．1 线性扫描伏安曲线分析

2．4．2 IPCE分析结果

2．4．3 Mott-Schottky曲线分析

2．4．4 交流阻抗谱分析

2．4．5 稳定性分析

2．4．6 机理分析

2．5 Ta／Al-Fe2O3光电催化协同降解Cr(Ⅵ)和苯酚性能

2．6 Ta／Al-Fe2O3薄膜光电催化降解Cr(Ⅵ)和苯酚的因素研究

2．6．1 溶液pH值对催化性能的影响

2．6．2 污染物初始浓度对催化性能的影响

2．7 Ta／Al-Fe2O3光催化薄膜的稳定性

2．8 Ta／Al-Fe2O3光催化薄膜光电催化降解污染物机理讨论

2．9 本章小结

第三章 Fe-Ni双层助氧催化剂复合的氧化铁薄膜的制备及其光电催化降解苯酚的研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验材料与仪器

3．2．2 光催化薄膜的制备

3．2．3 光催化薄膜的表征

3．2．4 光电化学性能研究

3．2．5 光电催化降解苯酚的性能研究

3．3 光催化薄膜的表征结果与讨论

3．3．1 XRD分析

3．3．2 XPS分析

3．3．3 UV-Vis分析

3．4 光电化学性能研究

3．4．1 线性扫描伏安曲线分析

3．4．2 稳定性分析

3．4．3 IPCE分析

3．4．4 交流阻抗谱分析

3．4．5 Mott-Schottky曲线分析

3．5 Fe2O3-FeOOH-NiOOH可见光电催化降解苯酚性能研究

3．6 Fe2O3-FeOOH-NiOOH光催化薄膜的稳定性研究

3．7 本章小结

第四章 Fe2O3-MoS2光电催化薄膜的制备与其光电催化降解苯酚的研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂与仪器

4．2．2 光催化薄膜的制备

4．2．3 光催化薄膜的表征

4．2．4 光电化学性能研究

4．2．5 光电催化降解苯酚的性能研究

4．3 光催化薄膜的表征结果与讨论

4．3．1 XRD分析

4．3．2 XPS分析

4．3．3 UV-Vis分析

4．4 光电化学性能研究

4．4．1 线性扫描伏安曲线分析

4．4．2 稳定性分析

4．4．3 交流阻抗谱分析

4．4．4 Mott-Schottky曲线分析

4．5 Fe2O3-MoS2可见光电催化降解苯酚性能研究

4．6 Fe2O3-MoS2光催化薄膜的稳定性研究

4．7 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表和交流的论文及其它成果

致谢

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