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《华中科技大学》 2015年
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基于液相沉积技术制备的金属氧化物膜及其可见光电催化性能研究

张曼  
【摘要】:光电催化技术是处理环境中有机污染物的重要的高级氧化技术之一,其中,光阳极材料的性能是影响光电催化系统效率的一个关键因素。在制备光阳极膜的方法中,液相沉积法具有制备过程简单、成本低、基体适用范围广等优点。本论文研究利用液相沉积法分别制备了ZnO薄膜、Ag/ZnO复合薄膜、α-Fe2O3薄膜和WO3/TiO2薄膜,通过X-射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、X射线能谱(EDX)、X-射线光电子能谱(XPS)和紫外-可见漫反射(UV-Vis DRS)等多种手段对薄膜的材料学和光学性能进行了表征分析,并将这些薄膜电极用于可见光光照下光电催化降解有机污染物。论文的主要研究内容如下:(1)发展了一种新型的以ZnO-HF和H3BO3为前驱体的的液相沉积法制备ZnO薄膜,并通过罗丹明B(RhB)和对硝基酚(PNP)的降解研究了膜电极在可见光照射下的光电催化性能。结果表明,ZnO薄膜为表面不规则的纳米棒状,在可见光区域有一定的吸收。通过调节前驱液中ZnO和H3B03的比例可以改变ZnO膜电极的可见光电催化性能,当ZnO和H3B03的摩尔比为1:2时,薄膜的光电催化活性最高,在240 min内可以降解43.3%的RhB,在210 min内可将75.1%的PNP降解。(2)采用液相沉积法结合紫外光还原法制备了负载纳米Ag的ZnO薄膜电极。SEM[和XPS分析表明纳米Ag颗粒分布在ZnO纳米棒上,且沉积量随着光还原时间的加长而增加。相比纯的ZnO电极,Ag/ZnO复合薄膜的光电催化效率均有所提高。其中,在紫外光照射3min后得到的复合膜电极光电催化活性最高,在可见光照射并外加0.8 V偏压时,在240 min内对RhB的降解率可达到61.3%,比单纯ZnO薄膜的降解率高了18%。膜电极的光电催化活性的提高主要是由于Ag的负载可以提高ZnO薄膜对可见光的利用率,同时Ag与ZnO之间的肖特基势垒有助于光生电子-空穴对的分离。(3)以FeOOH-NH4FHF和H3B03为前驱体,通过液相沉积过程制备了α-Fe2O3薄膜,并研究了该膜电极在可见光照射下的光电催化性能。结果表明,经600℃焙烧后的α-Fe2O3薄膜表面为多孔状结构,禁带宽度大约为2.0 eV,相比其它温度下焙烧后的膜电极此薄膜光电催化活性最高。在此电极上,经光电催化反应后,甲基橙(MO)在120min内的降解率达到79.1%,对硝基酚(PNP)在240min内的降解率为46.8%。此LPD α-Fe2O3薄膜具有良好的可见光电催化性能和稳定性。(4)采用两步液相沉积法制备了WO3/TiO2薄膜电极。SEM的分析和FTO上不同膜沉积量的测定表明底层的TiO2由纳米颗粒组成,上层的WO3呈现由纳米片交叉聚集形成的花状结构,而且TiO2薄膜为WO3的沉积提供了一个良好的基底。同时,WO3明显增加了TiO2对可见光的吸收,提高了TiO2薄膜的可见光电催化活性。当WO3前驱液中H3BO3浓度为0.2 mmol·L-1时,得到的WO3/TiO2薄膜具有最好的光电催化性能,在可见光照射下,同时施加1.0 V的阳极偏压,对RhB的降解率在240min内可以达到50.9%,对4-氯苯酚(4-CP)的降解率在90 min内能够达到大约80%。此液相沉积W03/TiO2薄膜具有高效的光电催化活性和稳定性,适于降解多种难降解有机污染物。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TB383.2;X505

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