三维粒子电极光电催化性能的研究摘要

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1、沈阳理工大学硕士学位论文三维粒子电极光电催化性能的研究摘要20世纪80年代以来，纳米半导体材料越来越受到人们的关注，尤其是TiO2，被誉为当前最具应用潜力的一种光催化剂。但是TiO2仍存在许多的局限性，比如:其光生电子和光生空穴容易复合，光催化效率低;带隙较宽(约3.2eV)只能在紫外区显示光化学活性，对太阳能的利用率小于10%，这些限制了其在环境分析中的应用。于是研究者们研究出了许多的方法来对TiO2进行改性，比如:贵金属沉积、复合半导体、离子掺杂、有机染料光敏化等，从而增加它的光吸收波长范围，降低半导体载流子的复合率，使其载光催化方面真正走向

2、实际应用。将三维电极与光催化作用结合起来构成三维电极光电催化体系，可以对污染物起到很好的降解作用。实验将粒子电极引入光电催化组成三维粒子电极光电催化体系，研究了以TiO2/沸石和TiO2/蛭石为粒子电极的两种三维粒子电极光电催化体系，分别考察了两种体系的光电催化性能。实验选用自制的反应装置来进行三维电极光电催化的实验，反应在150mL高型烧杯中进行。采用溶胶-凝胶法分别制备了负载型TiO2/沸石、TiO2/蛭石粒子电极，以一定比例的粒子电极（40-60目）与活性炭（40-60-6-沈阳理工大学硕士学位论文目）混合组成复合型粒子电极，以相同面积的钛

3、网作为体系的主电极，20W紫外灯（λ=253.7nm）为固定光源，硫酸钠溶液为电解质，亚甲基蓝溶液为目标降解物，以HDV-7C晶体管恒电位仪型为反应装置提供恒定的电压，构成三维电极光电催化体系。采用可见分光光度计在664nm处每隔一段时间测定染料水溶液的吸光度，计算光电催化降解率。每组实验都有一组对应的暗态吸附实验，最后的降解率为总降解率减掉暗态吸附引起的降解率的变化。实验研究了粒子配比、外加偏电压、亚甲基蓝初始浓度、电解质浓度、溶液pH等条件对亚甲基蓝溶液降解效率的影响。实验表明：对TiO2/沸石与活性炭体系，粒子电极焙烧温度450℃、亚甲基蓝

4、的初始浓度为3mg/L、pH=6.0、电压为2.0V、电解质浓度为0.04mol/L、灯距为10cm、电极间距为4.0cm、TiO2/沸石：活性炭=2:3、曝气的最佳条件下，体系对亚甲基蓝的降解率可达53.34%。由实验结果可知，对于考察的不同因素都存在各自的最佳条件，以煅烧温度为例，当煅烧温度较低时，TiO2由锐钛矿型向金红石型转变量非常小，随着煅烧温度的增高，金红石型TiO2含量逐渐增多，与锐钛矿型TiO2形成混晶效应，有利于粒子电极催化活性的提高。在煅烧温度为450℃时，两种晶型的TiO2含量比率达到最佳，粒子电极的催化活性最高。当煅烧温度

5、继续升高时，金红石型TiO2含量继续增加，使锐钛矿含量减小。而一般情况下，锐钛矿型TiO2的阈值比金红石型TiO2的阈值大，从而比金红石型TiO2能更好的吸收紫外光，所以煅烧温度继续升高时会使催化活性降低。实验中以TiO2/沸石与活性炭体系对稻谷加工废水进行降解，发现三维电极光电催化对COD-6-沈阳理工大学硕士学位论文的去除率仅为40.91%，二维电极光电催化对COD的去除率为20.62%，光催化对COD去除率为15.93%。显然，光电催化法对稻谷加工废水的降解效果不佳，不可作为一种有效方法应用到实际的废水净化过程中。对TiO2/蛭石与活性炭体

6、系，粒子电极焙烧温度500℃、亚甲基蓝的初始浓度为5mg/L、pH=4.0、电压为2.0V、电解质浓度为0.03mol/L、灯距为10cm、电极间距为4.5cm、TiO2/沸石：活性炭=2:3、曝气的最佳条件下，体系对亚甲基蓝降解率为59.12%。三维电极光电催化体系、二维光电催化体系与光催化体系的对比实验结果表明：对TiO2/沸石与活性炭体系，降解率分别为49.5%、23.4%、20.5%；对TiO2/蛭石与活性炭体系，降解率分别为54.6%、25.4%、21.2%。三维光电催化的效果要好于单独的光催化或二维光电催化。对于光催化实验，起作用的是

7、TiO2/沸石粒子的光催化作用，紫外灯照射时价带上的电子受激发迁移到导带而形成光生电子-空穴对，空穴具有强氧化性，易与TiO2表面的H2O和OH-发生反应，生成强氧化性的羟基自由基·OH，·OH能够无选择性的降解溶液中的有机物。对于二维电解反应，没有粒子的作用，只是普通的电极电解作用。而对于三维光电协同体系，在传统的二维电极中加入粒子电极，使体系同时起到光催化和电催化的效果，而且他们的协同作用更能促进降解效率。实验采用金属离子掺杂法对TiO2-6-沈阳理工大学硕士学位论文光催化剂进行改进，以提高体系的光电催化性能。过渡金属元素存在多化合价，在半导

8、体催化剂中掺杂少量过渡金属离子，可以在半导体表面引入晶格缺陷或改变结晶度，影响光生电子与空穴的复合或者改变半导体受激发的波长，从而改变其