提高三氧化钨和二氧化钛光（电）催化活性的研究

【摘要】： 近几十年来,半导体多相光催化技术在降解环境污染物方面已经获得了广泛的研究,是一项高效的、有前景的高级氧化技术。该技术的最大特点是在常温和常压下,只利用催化剂、光和空气就能将污染物降解或矿化;从长远的观点来看,它可利用取之不尽的太阳光能,因而在环境污染治理方面显示出非常诱人的应用前景。TiO_2由于具有活性高、光化学性质稳定、无毒和价廉等优点而成为首选光催化剂。但是,该技术在大规模应用之前,目前至少还需解决以下两大问题:一是TiO_2对太阳光的吸收范围窄,限制了其对太阳能的利用;二是光催化反应效率低,一般不大于1%。因此,本论文工作从上述问题出发,致力于开发新型可见光光催化剂及改性TiO_2以提高其光(电)催化活性。全文分为两大部分。 第一部分以铟锡氧化物(ITO)导电玻璃为基底,制备了锌掺杂WO_3薄膜电极,优化了电极制备条件如锌的掺杂浓度、拉膜层数及煅烧温度。采用优化工艺下制备的锌掺杂WO_3为光阳极,以NO_2~-为目标污染物,在可见光光照下系统研究了外加偏压、气氛、溶液的初始pH值、NO_2~-初始浓度、电解质以及有机添加剂对NO_2~-光催化降解动力学的影响。结果表明,掺锌提高了WO_3可见光下的光电流响应及对NO_2~-的光电催化降解活性。机理研究表明,锌的掺杂导致WO_3能带窄化和可见光光吸收的增大,从而使得光生载流子数目增多,在足够高的外加阳极偏压的情况下,这些载流子能够得到有效分离,从而提高了WO_3光催化活性。 论文第二部分主要探索了提高TiO_2光催化活性的方法,分为两个小节。 采用电化学刻蚀方法,在含氟溶液中对热氧化TiO_2进行处理,制备了纳米多孔的表面氟化TiO_2电极。氟化电极的光电响应和光电转化效率均大幅度提高。以刻蚀和未刻蚀TiO_2为光阳极,分别对苯酚、亚甲基蓝和活性艳红X3B污染物进行光催化(开路下)和光电催化(外加偏压)降解,发现刻蚀后氟化TiO_2电极的催化降解活性也大大提高。采用多种物理化学手段对电极进行表征,包括XRD、Raman光谱、SEM、XPS、UV-Vis漫反射光谱、光致发光(PL)光谱等,研究了刻蚀对电极的结构、组成、表面形貌和吸光性能的影响,同时结合电化学和光电化学方法对电极的能带结构、界面性质和电荷转移动力学进行了研究,探讨了氟化TiO_2光催化活性提高的机理。结果表明,刻蚀后电极性能提高的主要原因有以下几个:首先,刻蚀后电极表面形成纳米多孔结构,增大了电极表面积;其次,刻蚀后TiO_2表面发生氟化,减少了表面态的浓度,从而减少了光生载流子复合中心的数量;最后,氟化还导致了电极能带边缘的负移,提高了界面电荷转移速率常数。 以热氧化的金红石TiO_2为光阳极,研究了Cl~-浓度和溶液pH值对光电催化降解NO_2~-的影响,并检测反应过程中活性氯的生成速率;对比了相同条件下锐钛型TiO_2和金红石型TiO_2光电催化产生活性氯的速率以及两种电极在Cl~-存在溶液中光电催化降解NO_2~-的速率。结果表明,热氧化金红石TiO_2电极比锐钛矿TiO_2电极更适合产生活性氯;在Cl~-存在情况下金红石TiO_2的光催化活性大幅度提高;寿命较长的活性氯的生成是NO_2~-降解速率提高的主要原因。