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《郑州大学》 2007年
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TiO_2用于锌—空气电池阴极催化剂和光催化剂研究

张浩  
【摘要】: 随纳米科学技术的迅速发展,纳米材料已成为人们研究的焦点。粒径在1~100nm的TiO_2具有特殊的优异性能,如表面效应、量子尺寸效应、光学性能等,因此纳米TiO_2的应用性研究具有很大的潜在价值。本文将纳米TiO_2用于锌空气电池阴极的新型催化剂和光催化剂进行研究。采用廉价TiCl_4一步水蒸气水解法制备纳米TiO_2,与一般的制备纳米TiO_2方法不同的是TiCl_4被活性炭(AC)均匀吸附水解的同时实现了TiO_2的均匀负载分布,免去了先制备TiO_2溶胶或纳米颗粒后再负载的繁琐过程,且在煅烧时可有效地防止TiO_2粒子的团聚。本文工作包括催化剂的制备、空气电极的制备和放电性能、TiO_2/AC悬浮液光催化性能和TiO_2粉经电泳沉积到空气电极上的光电催化性能研究,探讨了TiO_2对O_2还原的催化作用及光催化性能的影响因素。 本文采用X射线衍射谱(XRD)、傅立叶红外光谱(FTIR)材料分析测试手段和线性极化、交流阻抗电化学实验方法对粒子的大小、物相、表面键合情况和碱性溶液中半导体催化剂的电极性能进行了分析研究,优化了空气电极的各成分用量和工艺参数,提高了电极性能,用稳态极化曲线法和恒电流放电法测试电极性能,通过苯酚的光催化降解对催化剂的光催化性能的影响因素进行了考察分析。 结果表明,催化剂在400℃煅烧,TiO_2粒径约为16.5nm,且为结构活性的锐钛矿型,催化剂表面有部分化学键Ti—O—C键生成,且结合牢固。 TiO_2/AC用作空气电极催化剂时,从空气电极的组成配比和基础工艺入手,研究了催化层、透气层的组成,AC的预处理、晶型转化温度、成型压力、煅烧温度等制备工艺条件对空气电极性能的影响,为后续工作打好基础。经研究发现,空气电极的性能与其组成和制备工艺有着密切的关系,采用下述条件制备的空气扩散电极具有较好的综合性能。 电极组成及配比:采用100目铜网作集流导电网,膜制备过程中各组分用量分别为:5mL聚四氟乙烯乳液(PTFE),10mL TiCl_4,3 mL聚乙二醇(PEG600),11~13mL无水乙醇(AEG),0.8mg乙炔黑。 空气电极的制备工艺:催化剂在400℃时晶型转化为完美锐钛矿型,电极成型压力为25MPa,冷压时间为30~60s,成型电极经340℃煅烧30min,疏水13h,可消除PTFE的影响,在电极内部形成网络状孔涮,使电极的疏水透气效果明显;最终制得电极厚度为0.53mm时,电极性能较好。用稀HNO_3处理AC,除去AC中的掺和物和灰份,经过筛优化后300目AC作基体时电极性能较好。 性能测试:电极EIS研究表明,催化剂对氧的还原具有一定的催化作用,三相界面O_2的扩散和反应粒子的传质过程为控制步骤;电池放电性能平稳,电流密度在150mA/cm~2时端电压保持在0.8 V以上,且稳定时间较长。 TiO_2/AC粉末用作光催化剂首先在悬浮液体系中对苯酚的光催化降解。研究表明,粉末30min左右建立吸附平衡,粉末催化剂在下列条件下具有较高的光催化效率:催化剂中ZiO_2百分含量(wTiO_2)95%左右;苯酚初始浓度为10mg/L左右;催化剂用量为1mg/mL左右;H_2O_2初始浓度为50mg/L左右:pH=5左右时具有较大的光催化效率,且受pH的变化影响不大。 本文还以异丙醇作有机相分散介质,采用电泳沉积方法将水解制得的TiO_2粉末负载到空气电极上,实现了光催化剂的固定化,制备了ZiO_2光阳极,解决了悬浮液光催化体系的固液分离困难的问题。通过输入外加电压,电子通过外电路流到阴极,使空穴转移到催化剂表面,这种较好的电荷分离情形大大降低了电子-空穴对的复合几率,极大地提高了对苯酚的降解效率。研究表明,合适的电场强度是制备高性能薄膜的前提条件。电泳电压在30V左右,电泳时间在5min左右时的电泳膜具有较高的光催化效率。光阳极30min左右催化剂建立吸附平衡,在下述条件下具有较高的光电催化效率:外加阳极偏压在0.25V左右;H_2O_2初始浓度为50~100mg/L左右;pH=5左右,且受pH变化影响较大;光阳极的使用寿命不如TiO_2/AC粉末。
【学位授予单位】:郑州大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TM911.4

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