稀土掺杂改性的钛基纳米二氧化钛膜电极的制备及其电催化性能研究

摘要

本文采用溶胶凝胶法，以纯钛为基底，制备了Ti/nano-TiO2膜电极，通过对制备的Ti/nano-TiO2膜电极的循环伏安、扫描电子显微镜(SEM)及X射线衍射(XRD)等图谱分析，得到制备Ti/nano-TiO2膜电极的最优条件为:纳米二氧化钛溶胶的pH值为2～3，乙酰丙酮用量为0.88mL，加水量为1.2mL，分散剂为十二烷基苯磺酸钠，煅烧温度为450℃，涂层次数为7。
　　以稀土铈和镧为目标掺杂物，通过溶胶-凝胶法合成Ti/Ce nano-TiO2膜电极和Ti/La nano-TiO2膜电极，并通过X射线衍射谱(XRD)，扫描电子显微镜(SEM)，X射线能谱(XPS)，循环伏安曲线(CV)和电化学阻抗谱(EIS)对其晶体结构，形貌及化学组态及电催化活性进行表征分析。XRD、SEM表明稀土离子的掺杂的膜电极表面纳米TiO2晶体构发生畸变，晶粒细化;XPS表征分析确定了Ce4+、La3+、Ti-O-Ce和Ti-O-La的存在;不同稀土掺杂浓度的CV结果表明:当Ce/Ti=0.003掺杂时，其电催化还原活性最高，约为Ti/nano-TiO2膜电极的4倍;当La/Ti=0.005掺杂时，其电催化还原活性最高，约为Ti/nano-TiO2膜电极的3倍。EIS表明稀土离子掺杂后的nano-TiO2膜层导电性提高，电极表面阻抗变小。
　　Ti/Ce nano-TiO2膜电极(Ce/Ti=0.003)和Ti/Ce nano-TiO2膜电极(La/Ti=0.005)在马来酸硫酸溶液中的还原特性表明:稀土Ce或La掺杂改性的TiO2膜电极电催化还原活性高于Ti/nano-TiO2膜电极，其中Ti/Ce nano-TiO2电极(Ce/Ti=0.003)最高峰电流密度为58mAcm-2，电流效率可以达到91％，丁二酸产率达到98％。Ti/La nano-TiO2电极(La/Ti=0.005)最高峰电流密度为54mA·cm-2，电流效率可以达到87％，丁二酸产率达到91％，电极催化还原活性略低于Ti/Ce nano-TiO2电极(Ce/Ti=0.003)。这些结果表明，Ce或La掺杂的Ti/nano-TiO2膜电极作为阴极电极材料在H2SO4溶液中还原马来酸(MA)具有重要的研究意义。
　　根据电解结果知，所制备的Ti/Ce nano-TiO2或Ti/La nano-TiO2膜电极较稳定在电解前后电极表面薄膜没有脱落现象。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 纳米TiO2材料概述及国内外研究现状、

1．2 纳米TiO2的晶体结构

1．3 纳米TiO2的功能

1．4 钛基纳米TiO2薄膜研究

1．4．1 钛基体的应用

1．4．2 纳米TiO2膜研究进展

1．4．3 纳米TiO2薄膜的制备方法

1．4．4 纳米TiO2薄膜的改性研究

1．5 选题意义和研究内容

1．5．1 选题意义

1．5．2 研究内容

2 实验及表征方法

2．1 实验材料及仪器设备

2．2 钛基纳米TiO2膜电极的制备

2．2．1 钛基体的预处理

2．2．2 纳米二氧化钛溶胶的制备

2．2．3．钛基纳米膜电极的制备

2．2．4 铈掺杂改性的TiO2膜电极的制备

2．2．5 Ti／La nano-TiO2膜电极的制备

2．3 丁二酸的制备

2．3．1 电解实验装置

2．3．2 电解实验步骤

2．4 纳米TiO2膜电极的表征

2．4．1 SEM表征

2．4．2 XPS表征

2．4．3 XRD表征

2．4．4 CV表征

2．4．5 EIS分析

2．4．6 熔点测定

3 Ti／nano-TiO2膜电极的实验制备条件

3．1 纳米TiO2溶胶影响因素

3．1．1 酸度的影响

3．1．2 螯合剂用量的影响

3．1．3 水量的影响

3．1．4 分散剂的影响

3．2 煅烧温度的影响

3．3 纳米TiO2涂层次数的影响

3．4 本章小结

4 稀土改性TiO2膜电极的电催化性能分析

4．1 前言

4．2 稀土铈掺杂改性的TiO2膜电极的电催化性能分析

4．2．1 最佳铈掺杂量的确定

4．2．2 Ti／Ce nano-TiO2膜电极的表征分析

4．3 镧修饰TiO2膜电极的电催化性能研究

4．3．1 最佳镧掺杂量的确定

4．3．2 Ti／La nano-TiO2膜电极的表征分析

4．4 电极电化学阻抗谱分析

4．4．1 EIS简介

4．4．2 Ti／Ce nano-TiO2电极表面EIS分析

4．4．3 Ti／La nano-TiO2电极表面EIS分析

4．5 本章小结

5 电解催化还原马来酸的实验研究

5．1 前言

5．2 稀土改性的TiO2膜电极电催化还原马来酸特性研究

5．2．1 Ti／Ce nano-TiO2电极电催化还原马来酸特性

5．2．2 Ti／La-TiO2电极电催化还原马来酸特性

5．3 恒压电解合成丁二酸

5．3．1 电合成丁二酸机理

5．3．2 电解槽电压的设定

5．3．3 电解实验结果

5．3．4 丁二酸的鉴定

5．4 本章小结

6 结论

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果