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金属氧化物光催化剂的制备及降解废气和分解水上的应用

刘文  
【摘要】: 光催化剂可以被广泛用于环境保护、水的分解和太阳能电池方面,其中金属氧化物光催化剂以其良好的稳定性而备受关注。本论文制备和研究了大量的金属氧化物光催化剂,得到了很好的结果。 首先,利用自制的TiO_2纳米颗粒通过水热法成功合成了纯的TiO_2纳米管光催化剂。所合成的纳米管外径8-12nm,内径5-8nm,管长最高可达500nm,比表面积200m2·g~(-1)左右,最大可达330m2·g~(-1),而TiO_2纳米颗粒的比表面积仅为78m2·g~(-1)。选择甲基环己烷作为目标污染物测试TiO_2纳米管的光催化活性,结果表明,与TiO_2纳米颗粒相比,纳米管光催化剂在相同反应条件下加速了对甲基环己烷的降解,并且它的光催化氧化降解反应符合Langmuir-Hinshelwood方程,在动力学上为一级反应。通过研究不同金属离子掺杂对TiO_2纳米管光催化性能的影响,发现掺杂W~(6+)的TiO_2纳米管与纯的TiO_2纳米管相比能明显提高光催化降解甲苯的效率,并且W~(6+)的掺杂浓度存在一个最佳值。 为了进一步提高光催化剂的活性,本文在更广的范围内寻找高效金属氧化物光催化剂。实验中,以浓度为0.1mol·L~(-1)不同的金属盐的乙二醇溶液作为前驱体,通过一个压电溶液分液器将它们按照预先设定好的金属原子个数比例制备在F掺杂的SnO_2(FTO)导电玻璃表面,形成光催化剂阵列。制备好的阵列以1℃·min~(-1)的升温速度置于马弗炉中在500℃下焙烧3小时制成样品。通过一根直径为400μm的光纤和扫描电化学显微镜分别在紫外光和可见光照射下于0.1mol·L~(-1)Na2SO3/0.1mol·L~(-1)Na_2SO_4电解质溶液中扫描其光电流,结果发现,当Sn掺杂Cd-In-Bi、Zn-In和W-Cd氧化物光催化剂分别以最佳配比混合时,能比它们相应的单一金属氧化物光催化剂产生更大的光电流。接着,将上述光纤替换为一个金环封装的光纤,用来在0.1mol·L~(-1)的Na_2SO_4溶液中进行光催化氧化OH-的反应并测量其反应产物。另外,利用喷雾覆盖法(Spray Coating)将以最佳配比混合的光催化剂分制成薄膜电极并用来在0.1mol·L~(-1)Na_2SO_4溶液中进行分解水的研究。在紫外光照射下,Zn-In和W-Cd氧化物比Sn掺杂Cd-In-Bi氧化物具有更高的光学活性。另外,在可见光下这两种光催化剂在光催化氧化水制备氧气的过程中也展现了良好的光响应能力。最后,实验还在0.2mol·L~(-1)NaOH溶液中测量了Zn-In和W-Cd氧化物光催化剂的光电转化效率、带隙和导带位置。


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