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《上海交通大学》 2011年
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新型电极材料光/电催化降解有机污染物及污染物化学能的综合利用

刘艳彪  
【摘要】:随着人口的急剧增长和现代工业的迅猛发展,大量的有毒有害废物、生活污水和工业废水等通过各种途径进入到水体,造成了严重的环境污染和生态破坏。而传统的污水处理技术(如物理化学法和生物法)难以达到理想的处理效果,因此发展高效的处理方法已是迫在眉睫。高级氧化技术可以通过产生羟基自由基(OH )来氧化有机污染物,并具有氧化能力强、氧化速度快和处理效率高等优点,因此成为了近年来国内外研究的热点。而半导体光催化氧化技术作为高级氧化技术的一种,被认为是废水处理中极具发展前景的催化氧化技术之一,其与传统的污染物处理方法相比具有绿色、节能、高效、无二次污染和污染物降解彻底等优点,而高效的光催化剂是该技术的关键所在。本论文针对于传统的粉体TiO_2光催化材料在有机污染物处理过程中,存在着电荷复合严重、可见光吸收差和处理效率低等不足,开展了新型、高效的TiO_2纳米管(孔)阵列电极材料的制备、可见光响应拓展以及光/电催化降解有机污染物方面的研究,以实现有机污染物的高效处理;同时,对污染物降解过程中释放的化学能开展了研究。通过设计一个基于TiO_2纳米管阵列电极的光催化燃料电池体系,可以同时实现污染物降解和及其化学能的利用。 TiO_2纳米管(孔)阵列电极材料的制备及其性能研究。论文首先研究了利用HF-H2O介质和含氟的二甲亚砜(HF-DMSO)介质阳极氧化制备TiO_2纳米管阵列(TNA)及其光电化学性能,发现纳米管的结构参数(如管长、管径和管壁厚度)、基底结构及材料稳定性等均会对其光电催化性能产生重要影响。为了获得结构稳定、寿命长和电子传输快的纳米管电极,论文利用阳极氧化技术和超声波技术制得了一种管长相对较短的TiO_2纳米管阵列(STNA)薄膜;在阳极氧化电压5~20 V范围内,制得了管径12~65 nm、管长75~280 nm的纳米管阵列薄膜。实验结果表明,尽管这种STNA材料管长较短,但却具有良好的光电催化性能,这与其优异的机械稳定性和良好的电子传输性能有关。例如,与利用传统磁力搅拌方法制得的纳米管阵列电极相比,在相同实验条件下STNA电极产生的饱和光电流约为前者的1.80倍;在降解四环素时,STNA电极的去除率要比前者高出20%以上。此外,论文还通过低温阳极氧化和超声后处理方法,在HF-DMSO介质中制备了一种新型且高度有序的TiO_2纳米孔阵列(TNP)材料。这种由长纳米管脱落后得到的多孔结构,由于纳米TiO_2与基底间特有的紧密结合,使得光生电子在其内部能够快速的传输,因而表现出了比传统TNA电极更为优异的光电催化降解有机物性能。论文还考察了偏电压、电解质浓度、pH和有机物初始浓度等参数对TiO_2纳米管(孔)阵列电极光电催化降解有机污染物性能的影响。 TiO_2纳米管阵列电极材料的可见光改性。论文以STNA电极为基础,利用超声电化学沉积技术制备了兼具高效可见光吸收性能和高稳定性的CdS/STNA复合电极和Cu_2O/STNA复合电极,以解决传统沉积方法中沉积颗粒与纳米管间结合力差和沉积颗粒分布不均等不足。SEM和XRD分析表明六方晶型的CdS纳米颗粒均匀分布在纳米管表层;DRS分析表明,CdS的存在使得复合电极的吸收边扩展至525 nm,明显改善了对太阳光的利用率。CdS的沉积量有一最佳值,在本文条件下沉积10 min时为最佳;SEM,EDS,XPS和XRD等分析表明,呈八面体型的Cu_2O颗粒均匀分布在纳米管表层。Cu_2O的掺入显著扩展了复合电极的可见光吸收范围以及提高了其光电催化性能。Cu_2O沉积5 min时,复合电极的性能最佳,其产生的光电流密度值比纯纳米管电极高出4.75倍以上。 污染物降解过程中释放化学能的利用。针对于有机污染物降解过程中化学能的利用问题,论文基于原电池原理,以性能优异的STNA电极为阳极,镀过铂黑的铂片为阴极,设计了一种光催化燃料电池(PFC)体系,以同时实现有机污染物的降解及其释放化学能的利用。并以多种模型化合物、难降解有机物和实际废水为基质,考察了电池体系的性能;结果表明,光阳极材料、阴极材料、电解质浓度和pH等均会对电池性能产生重要影响。另外,利用PFC产生的电能为另一光催化体系提供偏压,以构成一个由PFC提供偏压的光电催化降解有机物的复合体系。结果表明,这种复合体系能够显著提高目标有机物的处理效率;复合体系的外电路电阻值、电解质浓度、光阳极的透光面积以及基质种类和浓度等均会对有机物的处理效率产生重要影响。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:X50;O643.32

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