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有序介孔TiO_2薄膜的制备及其光电化学性能

吴士超  
【摘要】:本论文以制备新型的光辅助高效燃料电池催化剂载体为主线,分别对介孔二氧化钛薄膜、介孔SiO_2/TiO_2复合薄膜和介孔SiO_2-WO_3-TiO_2三元复合薄膜的制备和作为载体的甲醇光电催化氧化性能进行了研究。 以TiCl4为钛源、三嵌段共聚物F127为模板剂,无水乙醇和水为混合溶剂,采用旋涂法在导电玻璃(FTO)表面制备介孔二氧化钛薄膜,系统地研究了热处理温度对其结构、形貌和性能的影响。XRD、TEM和FE-SEM结果表明,经350和400℃热处理的二氧化钛薄膜的结构呈现二维六方有序介孔孔道排列。热处理温度达到450℃时,由于二氧化钛的结晶颗粒不断长大,破坏了介孔结构的有序性,薄膜表面杂乱无章。采用脉冲恒电压沉积的方法,将催化剂Pt负载于薄膜表面,研究了Pt的负载量对其光电催化性能的影响。适量的Pt负载在介孔二氧化钛薄膜的表面,有效提高了二氧化钛的光效应,表现出较好的甲醇光电催化氧化性能。同时,将介孔二氧化钛薄膜的甲醇光电催化性能与没有介孔有序结构的二氧化钛薄膜作对比,发现有序介孔结构对其性能的提升有显著作用。由于具有较好的有序介孔结构和二氧化钛结晶度,经过400℃热处理后的介孔二氧化钛薄膜为Pt催化剂载体时表现出相对较好的甲醇光电催化氧化性能。尝试在介孔二氧化钛前躯体溶胶中引入氯铂酸,原位制备含Pt的介孔二氧化钛薄膜,当Pt掺杂量为3%时,薄膜既可以保持较好的有序介孔结构又具有较高的甲醇光电催化氧化性能,尤其是以非均匀掺杂Pt的方式制备的薄膜。 为了提高薄膜的热稳定性,在介孔二氧化钛前躯体溶胶中引入正硅酸乙酯,制备介孔SiO_2/TiO_2复合薄膜。由于二氧化硅骨架的加入,限制了二氧化钛晶粒的增长,经过450、500和550℃热处理的复合薄膜仍能保持较好的有序介孔结构。实验发现,当二氧化硅掺杂量为5%时,较少的二氧化硅掺杂量对二氧化钛颗粒增长限制作用有限,复合薄膜在450℃热处理后有序介孔结构较差。掺杂量达到7.5%时,复合薄膜即使经过550℃的高温热处理也可以保持高度有序的介孔结构。在二氧化硅掺杂量为7.5%,经过500℃热处理后,介孔SiO_2/TiO_2复合薄膜表现出的甲醇光电催化氧化性能相对于没有掺杂SiO_2的介孔二氧化钛薄膜提高了约17.4%。 进一步采用半导体复合的方式提高二氧化钛的性能。在介孔二氧化钛前躯体溶胶中添加硅钨酸,热处理后得到介孔SiO_2-WO_3-TiO_2三元复合薄膜。研究掺杂含量对复合薄膜结构和性能的影响。实验发现,硅钨酸的引入降低了二氧化钛的晶相转换温度,400℃热处理后,部分二氧化钛转化为金红石相。硅钨酸掺杂含量为0.5%时,介孔三元复合薄膜具有较好的有序介孔结构,且金红石相二氧化钛和锐钛矿相二氧化钛的混合比例最佳,对甲醇的光电催化氧化性能最好。实验过程中发现,由于WO_3的电子存储能力,复合薄膜表现出一定的能量存储效应。当去除光照条件后,储存在WO_3中的电子会缓慢释放,延续甲醇光电催化氧化的能力。


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