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《华北电力大学》 2013年
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改性TiO_2纳米管阵列光阳极裂解水制氢的性能研究

梁可心  
【摘要】:氢能源是未来的清洁能源之一,光电催化裂解水制氢是清洁、节能和经济可行的方法,该方法将太阳能通过光电化学转化为可贮存的氢能,其中催化剂光电极的研制是最关键的技术。目前光电催化裂解水催化剂的缺点首先是可见光光响应低,不能有效利用太阳光,其次是导带电位较正,光激发到导带的电子不足以还原水生成氢气,这需要对催化剂进行改性,来满足上述要求,提高光电催化产氢效率。 本文研究合适的金属及其氧化物半导体共同改性TiO2纳米管阵列,形成复合光催化剂,更好地改善TiO2纳米管阵列光催化剂的性能,此种光电极的制备、光电性质及其光电催化分解水产氢机理研究未见报道。本实验使用SEM、XRD和XPS表面分析方法研究了纳米管阵列及改性后纳米管的表面形貌和晶相组成,采用半导体光电流响应分析及电子结构分析方法研究了改性物质对TiO2纳米管阵列光电响应的作用结果,同时结合容抗分析(Mott-Schottky曲线和电化学阻抗谱EIS)研究改性TiO2纳米管阵列半导体特性和半导体/溶液界面的电荷传递动力学。 首先在含F-的乙二醇有机溶液中阳极氧化6h制备的TiO2纳米管阵列,经过450℃焙烧后呈锐钛矿晶型,表面和纵向分布整齐规则,光电响应最强;同时与纳米TiO2薄膜对比,TiO2纳米管阵列吸收光红移,最高光电流是纳米TiO2薄膜的4倍。 采用阴极还原和阳极氧化法制备过渡金属Ce及其氧化物(Ce2O3/CeO2)改性TiO2纳米管阵列。在10×10-3mo1/L硝酸铈乙醇溶液中制备的还原态铈和氧化态铈两种改性试样光催化效果最好,在此条件下,还原态铈以单质Ce和Ce2O3纳米线形式存在于TiO2纳米管阵列表面及管内,对比TiO2纳米管阵列,经还原态铈改性的TiO2纳米管阵列在可见光区光电响应增强,紫外光区光电响应减弱,平带电位向电负方向移动,同时改性TiO2纳米管阵列能带宽度减小至2.88eV;还原态铈经阳极氧化后,氧化态铈以单质Ce、Ce2O3和CeO2结晶态存在于TiO2纳米管阵列表面及管内,对比TiO2纳米管阵列,氧化态铈改性的TiO2纳米管阵列在可见光区和紫外光区光电响应都增强,平带电位向电负方向移动;随着氧化的不断深入,改性TiO2纳米管阵列在可见光区光电响应随之增强。同时光电流对光子能量谱分析发现,在还原态铈和氧化态铈中都存在能带宽度为Eg=2.4eV的氧化相Ce2O3。 通过电化学阻抗谱研究发现,在阳极电解液中添加供电子物质减小了光生载流子传递阻抗,其中添加有机物乙二醇效果最佳。经氧化态铈改性后的TiO2纳米管阵列,由于电极表面增加了新的界面而导致一个新的容抗圆弧,但改性减小了TiO2纳米管阵列空间电荷层阻抗,说明单质铈和氧化铈有助于提高TiO2纳米管阵列的电子传输性能,增加偏压主要有利于减小TiO2纳米管层的电荷传递阻抗。根据光电响应特性和电化学阻抗谱特点,讨论了氧化铈和单质铈加强TiO2纳米管阵列在可见和紫外光区光电流响应与促进光生载流子传输的机理:窄能带宽度半导体Ce2O3(Eg=2.4eV)和宽能带宽度半导体CeO2(Eg=3.16eV)分别加强TiO2纳米管阵列在可见光区和紫外光区的光电响应,同时这两种氧化铈导带电位负于TiO2纳米管的导带电位,有利于光生电子向TiO2导带移动,进而到达对电极裂解水产氢;单质铈一方面作为杂质能级位于TiO2的禁带之中,有利于光生电子和空穴的分离,促进可见光光电响应,另一方面可能单质铈掺杂进入TiO2晶格中,与Ti的3d轨道形成混合导带使其禁带宽度变窄,增加了对可见光的吸收。 铈及其氧化物改性有助于提高TiO2纳米管阵列的产氢光电转换效率,在水溶液中无外加偏压条件下,在450W氙灯光照反应5h期间,TiO2NTs电极无氢气生成,而单质铈和氧化铈共同改性的TiO2NTs-Ce-CeOx有0.092mL/h·cm2氢气生成。在阳极电解液中添加乙二醇后,TiO2NTs-Ce-CeOx的最高产氢光电转换效率为5.9%,是TiO2NTs的1.76倍,在0.4V偏压条件下,TiO2NTs-Ce-CeOx的平均产氢量为2.38mL/h·cm2;在大于370nm波长光照下,TiO2NTs-Ce-CeOx最高产氢光电转换效率为4.43%,是TiO2NTs的1.92倍,在0.4V偏压条件下,TiO2NTs-Ce-CeOx的平均产氢量为1.39mL/h·cm2。 金属铅及其氧化物改性有助于TiO2纳米管阵列的平带电位向电负方向移动,但降低了光电流响应;金属铜或铟及其氧化物改性有助于提高TiO2纳米管阵列在紫外和可见光区的光电流响应,但是平带电位都向正向移动,都不利于光电催化裂解水产氢。
【学位授予单位】:华北电力大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TQ116.2

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【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 黄翠英;由万胜;党利琴;雷志斌;孙振刚;张澜萃;;钕掺杂对纳米TiO_2光催化分解水制氢活性的影响[J];催化学报;2006年03期
2 陈恒;龙明策;徐俊;蔡伟民;;可见光响应的氯掺杂TiO_2的制备、表征及其光催化活性[J];催化学报;2006年10期
3 陶杰;陶海军;包祖国;王玲;;有机电解液中钛基材表面TiO_2纳米管阵列生长机制的研究[J];稀有金属材料与工程;2009年06期
4 尹忠环;李越湘;彭绍琴;吕功煊;李树本;;污染物乙醇胺Pt/TiO_2光催化制氢[J];分子催化;2007年02期
5 李晓红,张校刚,力虎林;TiO_2纳米管的模板法制备及表征[J];高等学校化学学报;2001年01期
6 李越湘;谢艳招;彭绍琴;吕功煊;李树本;;以葡萄糖和蔗糖为电子给体在Pt/TiO_2上光催化制氢[J];高等学校化学学报;2007年01期
7 彭绍琴;张伟;李越湘;吕功煊;李树本;;AlCl_3修饰对虎红-TiO_2光催化剂可见光制氢活性的影响[J];功能材料;2007年03期
8 冷文华,张昭,成少安,张鉴清,曹楚南;直接热氧化制备氧化钛薄膜电极的研究 Ⅰ .制备、结构和电化学性质[J];化学物理学报;2001年06期
9 王添辉,李越湘,彭绍琴,吕功煊,李树本;铂修饰的稀土掺杂TiO_2的光催化制氢活性[J];化学学报;2005年09期
10 龙绘锦;王恩君;董江舟;王玲玲;曹永强;杨文胜;曹亚安;;In离子掺杂二氧化钛纳米管可见光催化活性的研究[J];化学学报;2009年14期
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1 孔海霞;电化学阻抗图谱法TiO_2薄膜光电极能带结构和催化活性研究[D];太原理工大学;2004年
【共引文献】
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1 吴德勇;;TiO_2光催化剂可见光改性研究进展[J];安徽农业科学;2012年12期
2 吴华强;严怡芹;倪光明;;4,4′—联吡啶在银电极表面上吸附行为的研究[J];安徽师大学报(自然科学版);1992年02期
3 吴华强;头孢氨苄在悬汞电极表面吸附行为的研究[J];安徽师范大学学报(自然科学版);1999年04期
4 张莉,褚道葆;酸度对偏钛酸水热法合成纳米TiO_2的影响[J];安徽师范大学学报(自然科学版);2002年01期
5 吴华强;2,2'─联吡啶在金电极表面吸附行为的研究[J];安徽师大学报(自然科学版);1996年01期
6 韩志慧,沈国鹏;复合结构半导体电极在水溶液中的光电行为[J];半导体光电;2003年04期
7 李慧;卢茜;吴子景;吴晓京;;无酸水热法制备多孔硅及其PⅢ表面改性[J];半导体技术;2008年06期
8 董志华;王金延;郝一龙;文正;王阳元;;热氧化Ti膜制备TiO_2-AlGaN/GaN结构的I-V特性[J];半导体技术;2008年S1期
9 霍莉,丁克强,王庆飞,童汝亭;掺杂Fe~(3+)的TiO_2薄膜电极的电化学研究[J];微纳电子技术;2005年02期
10 王积森;冯忠彬;孙金全;贾明剑;宋振雷;;纳米TiO_2的光催化机理及其影响因素分析[J];微纳电子技术;2008年01期
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1 邵光杰;秦秀娟;陈闽子;姚枚;;稀土对电沉积Ni-P合金镀液性能的影响[A];2002年全国电子电镀年会论文集[C];2002年
2 刘小兵;成旦红;徐伟一;郁祖湛;;Ni—P—WC复合电极析氢电催化性能的研究Ⅰ一复合电极制备与电化学性能测试[A];2004年全国电子电镀学术研讨会论文集[C];2004年
3 刘小兵;成旦红;徐伟一;郁祖湛;;Ni-P-WC复合电极析氢电催化性能的研究Ⅱ一表面形貌、晶体结构与稳定性研究[A];2004年全国电子电镀学术研讨会论文集[C];2004年
4 陈磊;李菲晖;巩运兰;;阳极氧化法制备TiO_2纳米孔薄膜的电压施加方式研究[A];2011年全国电子电镀及表面处理学术交流会论文集[C];2011年
5 徐祥宁;刘军;陈彩风;陈萍;;水热法制备NBBT无铅压电陶瓷粉体的研究[A];第三届全国压电和声波理论及器件技术研讨会论文集[C];2008年
6 冯西宁;郑光洪;顾浩;魏玉君;曾建;贾腾飞;;稀土改性光触媒纯棉织物负载研究[A];第八届功能性纺织品及纳米技术研讨会论文集[C];2008年
7 张菊生;;交替电沉积Ni-S-Co、Ni-Co、Ni-Mo-Co于泡沫Ni-基阴极上降低析氢过电位[A];第十届中国科协年会论文集(二)[C];2008年
8 张静;黄可龙;赵裕鑫;;水热法合成LiFePO_4及其电化学性能研究[A];第十二届中国固态离子学学术会议论文集[C];2004年
9 陈云霞;赵修建;何鑫;;溶胶-水热法制备M_xO_y-TiO_2(M=In,Al,Zn)复合纳米膜光阳极材料及其表征[A];中国硅酸盐学会特种玻璃分会第三届全国特种玻璃会议论文集[C];2007年
10 雷霆;罗凤兰;唐光明;薄新维;;水热法制备纳米镍铁氧体[A];第四届中国功能材料及其应用学术会议论文集[C];2001年
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1 高传慧;碱式硫酸镁晶须的合成及表面改性研究[D];中国海洋大学;2010年
2 王爱萍;改性纳米二氧化钛薄膜制备及其在模拟海水中光生阴极保护性能研究[D];中国海洋大学;2010年
3 刘海津;新型掺杂二氧化钛纳米管光催化材料的制备及其光催化性能的研究[D];河南师范大学;2010年
4 许彩虹;大豆球蛋白糖基化接枝改性及其热聚集行为研究[D];华南理工大学;2010年
5 刘春侠;锗在锌电积中的行为及添加剂作用的研究[D];昆明理工大学;2008年
6 徐瑞东;脉冲电沉积制备纳米颗粒增强金属基复合材料的研究[D];昆明理工大学;2008年
7 刘述忠;纳米掺锑氧化锡(ATO)粉体制备及其浆料稳定性[D];昆明理工大学;2009年
8 周聪华;染料敏化太阳能电池中电极材料和寄生电阻的研究[D];武汉大学;2009年
9 曹广秀;共掺杂二氧化钛基可见光光催化材料的制备及性能研究[D];东华大学;2010年
10 黄六一;FeS_2及FeS_2/TiO_2复合薄膜的制备与光电性能研究[D];浙江大学;2011年
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1 张旭;纳米CeO_2-TiO_2复合介孔材料的制备及性能[D];河北大学;2009年
2 李艳冰;二元稀土氟化物的控制合成及光学性能研究[D];安徽工程大学;2010年
3 朱利文;常压酸化法制备无水硫酸钙晶须工艺研究[D];山东科技大学;2010年
4 孙海燕;微弧氧化制备功能性陶瓷膜的研究[D];长春理工大学;2010年
5 王正凯;YVO_4:Eu~(3+)纳米荧光粉核/壳结构的制备与性能研究[D];浙江理工大学;2010年
6 徐蕙;CuO薄膜和Cu/TiO_x复合薄膜的制备与表征[D];浙江理工大学;2010年
7 李霄;过渡金属氧化物、硫化物纳米结构的形貌控制及性能研究[D];浙江理工大学;2010年
8 梅丹平;丝胶蛋白/磷酸钙盐复合材料的制备工艺研究[D];浙江理工大学;2010年
9 崔美云;氧化铈微纳米材料的水热法合成及表征[D];浙江理工大学;2010年
10 赵海燕;功能化碳纳米管的制备及性能研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 菅盘铭,夏亚穆,李德宏,王晓燕;掺杂TiO_2 纳米粉的合成、表征及催化性能研究[J];催化学报;2001年02期
2 李越湘,吕功煊,李树本;以草酸为电子给体在Pt-TiO_2上光催化生成氢[J];催化学报;2001年02期
3 周磊,刘昌,赵文宽,胡翎,方佑龄;液相沉积法制备光催化活性掺铁TiO_2薄膜[J];催化学报;2003年05期
4 井立强,李晓倩,李姝丹,王百齐,辛柏福,付宏刚,王德军,蔡伟民;纳米Au/TiO_2光催化剂的XPS和SPS研究[J];催化学报;2005年03期
5 杨朝晖;吴敏;秦艳涛;张俊颉;孙岳明;;电化学沉积四氨基酞菁镍敏化纳米TiO_2电极[J];东南大学学报(自然科学版);2006年02期
6 夏上达;;稀土发光和光谱理论的研究进展[J];发光学报;2007年04期
7 崔宝玉,张振邦,火时中;钛电极交流阻抗谱的弥散效应[J];腐蚀科学与防护技术;1994年02期
8 吴玉琪,吕功煊;几种低碳醇在Pt/TiO_2上的光催化产氢速率的研究[J];分子催化;2001年06期
9 李越湘,吕功煊,李树本,俞飞;污染物甲醛为电子给体Pt/TiO_2光催化制氢[J];分子催化;2002年04期
10 李慧泉,李越湘,周新木,彭绍琴,吕功煊,李树本;La_2O_3掺杂TiO_2光催化剂的制备和性能[J];分子催化;2004年04期
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1 汤育欣;陶杰;陶海军;吴涛;王玲;张焱焱;李转利;田西林;;透明TiO_2纳米管/FTO电极制备及表征[J];物理化学学报;2008年06期
2 陈鹏;卿宁;;掺杂TiO_2纳米管的研究进展[J];材料导报;2011年11期
3 张煜;刘兆阅;翟锦;;Cu_2O/TiO_2纳米管阵列异质结的制备及其可见光光电响应性质[J];化学学报;2013年05期
4 王小红;曹阳;金春阳;杨亮;曹献英;;TiO_2纳米管晶型对钛生物活性的影响[J];功能材料;2013年09期
5 莫尊理;蒲斌;蒋彩弟;郭瑞斌;;纳米管稀土氧化物的制备及应用[J];功能材料;2013年23期
6 廖昕星;邓湘云;王黎明;刘鹏伟;李建保;;钛酸钡纳米管阵列薄膜的合成及性能研究[J];中国陶瓷;2014年03期
7 李娜;潘能乾;林仕伟;;鸭跖草色素敏化TiO_2纳米管太阳能电池的研究[J];化工新型材料;2014年03期
8 方东;刘素琴;陈若媛;黄可龙;李倦生;余超;覃定员;;高度有序钛基体阳极氧化钛纳米管阵列的制备与表征[J];无机材料学报;2008年04期
9 田甜;;氧化钛纳米管阵列的研究进展[J];钛工业进展;2009年01期
10 向前兰;刘雅超;;硼氮纳米管的研究进展[J];长春师范学院学报(自然科学版);2009年06期
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1 张敏;闫国田;杨建军;;MoO_3/TiO_2纳米管阵列薄膜的制备及光电性能研究[A];中国化学会第27届学术年会第12分会场摘要集[C];2010年
2 杨亮;曹阳;;高有序氧化钛纳米管阵列膜的制备[A];2008年中国机械工程学会年会暨甘肃省学术年会文集[C];2008年
3 李高仁;王安良;许瀚;;多壁纳米管阵列电催化剂的设计、合成及其催化性能研究[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第23分会:电催化与洁净能源电化学转化[C];2014年
4 赵成龙;慕成;徐东升;;硅纳米管阵列的制备及其应用[A];中国化学会第27届学术年会第10分会场摘要集[C];2010年
5 黄凤翔;钟秋菊;肖信;舒东;南俊民;;CuO/TiO_2纳米管阵列薄膜电极的制备及光电性能[A];第二十八届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2009年
6 甘嘉永;徐明;赵栩枫;谢世磊;卢锡洪;瞿俊雄;童叶翔;;CdS/TiO_2纳米管阵列的电化学构筑及其在光电化学池中的应用[A];低碳技术与材料产业发展研讨会论文集[C];2010年
7 王玥霁;刘成龙;谢霖;黄伟九;;热处理对TiO_2纳米管的结构和表面粗糙度影响[A];2011中国功能材料科技与产业高层论坛论文集(第三卷)[C];2011年
8 宋国君;佘希林;李建江;;用物理方法和通用聚合物制备聚合物纳米管[A];2004年材料科学与工程新进展[C];2004年
9 马莹;董林;曹国喜;田勇涛;贾晓林;;N掺杂TiO_2纳米管阵列的制备与性质研究[A];第十五届全国光散射学术会议论文摘要集[C];2009年
10 刘海津;刘国光;张楠;汪应灵;李通;王刚;;CuO/TiO_2纳米管阵列的制备、表征及可见光活性[A];第六届全国环境化学大会暨环境科学仪器与分析仪器展览会摘要集[C];2011年
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1 记者 刘霞;美发明光电解水新技术[N];科技日报;2007年
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1 周明;超长排列硅及硅氧纳米管的制备和光学性质研究[D];兰州大学;2010年
2 张红瑞;碳纳米管和轻多元素纳米管的制备、结构及工艺参数优化[D];郑州大学;2003年
3 佘希林;聚合物纳米管和聚合物包覆金属同轴纳米电缆组装、结构与性能[D];北京化工大学;2005年
4 武光;尿素辅助合成磷酸镍纳米管及其催化性能研究[D];大连理工大学;2012年
5 何涛;准一维纳米管的结构设计与电子结构调控[D];山东大学;2010年
6 方东;基于纳米有序阵列材料氧化钛及氧化锆的制备和功能化研究[D];中南大学;2011年
7 张珉;硅及第三族氮化物纳米管稳定性及相关性质的理论研究[D];东北师范大学;2006年
8 宋娟娟;修饰与改性钛氧纳米管的制备及催化性能研究[D];南开大学;2013年
9 李娟;氮化硼纳米结构的制备和性能[D];广西大学;2013年
10 刘湘宁;纯钛纳米管表面和纳米胶束生物学特性的研究[D];南方医科大学;2012年
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1 郭丽敏;氧化锆纳米管的制备及性能研究[D];河北工业大学;2009年
2 朱宏;TiO_2纳米管、棒的水热制备及其光电性能研究[D];南京航空航天大学;2011年
3 李建江;聚合物纳米管及聚合物包覆金属同轴纳米电缆组装、结构与性能[D];青岛大学;2005年
4 卢长云;负载磷钨酸的氧化锆纳米管性能研究[D];河北工业大学;2011年
5 乔正阳;V_2O_5/TiO_2纳米管复合材料的制备及其电化学相关性质的研究[D];重庆大学;2012年
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7 俞少峰;氧化钛,氧化硅纳米管及球形粒子的制备研究[D];浙江大学;2005年
8 雷燕竹;贵金属纳米晶在直立TiO_2纳米管中的控制生长与电化学性质研究[D];同济大学;2008年
9 马莹;TiO_2纳米管的制备、改性及应用[D];郑州大学;2009年
10 刘和刚;钛合金表面氧化物纳米管的阳极氧化制备与性能研究[D];上海交通大学;2012年
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