论文部分内容阅读
直接利用太阳能为光源的TiO2光催化技术被认为是21世纪最具应用前景的环境治理技术之一，它既解决了能源危机的困扰，又满足了污染防治的迫切需要。与薄膜电极相比，阳极氧化法制备的TiO2纳米管阵列(TiO2 NTs)因具有较高的比表面积、独特的尺寸效应和良好的光吸收性能，在太阳能转换、光解水制氢和污染物去除领域得到了广泛关注。然而，TiO2对可见光利用效率较低，不能有效利用太阳能。本论文在制备高度有序的TiO2NTs基础上，通过MnOx改性获得具有可见光响应的复合TiO2光电极，并对其物理化学结构、光电化学性能和光电催化学性能进行了系统研究，以期为二氧化钛光催化氧化技术处理废水中难降解有机物的实用化提供依据。
为解决粉末态催化剂不易回收、难重复使用的问题，本文采用电化学阳极氧化法以钛片为基底原位制备TiO2NTs，研究四种不同类型的电解质溶液(NH4)2SO4(硫酸铵)、Na2SO4(硫酸钠)、NaF(氟化钠)和(CH2OH)2(乙二醇))对阳极氧化法制备TiO2NTs性能的影响。利用扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)和紫外-可见漫反射光谱(UV-vis/DRS)对TiO2NTs的表面形貌、晶体组成和光吸收性能进行分析，以罗丹明B为目标污染物来评价其光催化能力。结果表明，电解液为(CH2OH)2制备的TiO2NTs光催化性能最佳，对罗丹明B的降解率可达85%，而电解液为Na2SO4、NaF和(NH4)2SO4制备的TiO2NTs对罗丹明B的降解率仅为80%、75%和55%。
为克服TiO2NTs可见光利用率低的弊端，通过阳极氧化法和电化学沉积法成功制备得Pd-MnO2/TiO2NTs光电极，利用SEM、XRD和UV-vis/DRS对Pd-MnO2/TiO2NTs光电极的表面形貌、晶体组成和光吸收性能进行表征分析。结果表明，Pd-MnO2微粒被成功负载到电极表面；Pd和MnO2共修饰显著的提高了TiO2NTs的可见光吸收强度，促进了光生载流子的传输，提高了光催化活性。Pd-MnO2/TiO2NTs光电极对罗丹明B降解速率比Pd/TiO2NTs和MnO2/TiO2NTs光电极分别提高了1.73倍和0.67倍。
为进一步提高TiO2NTs光电极的光催化活性，采用三电极体系在TiO2NTs光电极表面进行MnO2和Ag掺杂，煅烧后成功制得Ag2Mn8O16纳米晶NCs/TiO2NTs光电极，采用SEM、XRD和XPS对光电极的表面形貌、晶体组成和光吸收性能进行表征分析，以罗丹明B为目标污染物来评价其光催化降解性能。结果表明，Ag和Mn8O16纳米晶成功负载到TiO2NTs光电极表面；Ag和Mn8O16纳米晶共修饰提高了对可见光的吸收，促进光生载流子的转移。制备的Ag2Mn8O16NCs/TiO2NTs光电极具有卓越的有机物光催化降解性能，对罗丹明B降解速率比Ag/TiO2NTs和MnO2/TiO2NTs光电极分别提高了0.71倍和4.74倍。
以Ag2Mn8O16NCs/TiO2NTs光电极作为光阳极，设计并制作了一个容量为500mL的光催化氧化废水处理反应器。该反应器同时采用5个光电极，光催化反应2h罗丹明B的降解效率可达96%，光催化活性速率常数为0.0311min-1。因此，本研究建立的光反应器显示出了出色的有机污染物光催化降解效果，为TiO2纳米技术的实际应用提供了有价值的理论支撑。
为解决粉末态催化剂不易回收、难重复使用的问题，本文采用电化学阳极氧化法以钛片为基底原位制备TiO2NTs，研究四种不同类型的电解质溶液(NH4)2SO4(硫酸铵)、Na2SO4(硫酸钠)、NaF(氟化钠)和(CH2OH)2(乙二醇))对阳极氧化法制备TiO2NTs性能的影响。利用扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)和紫外-可见漫反射光谱(UV-vis/DRS)对TiO2NTs的表面形貌、晶体组成和光吸收性能进行分析，以罗丹明B为目标污染物来评价其光催化能力。结果表明，电解液为(CH2OH)2制备的TiO2NTs光催化性能最佳，对罗丹明B的降解率可达85%，而电解液为Na2SO4、NaF和(NH4)2SO4制备的TiO2NTs对罗丹明B的降解率仅为80%、75%和55%。
为克服TiO2NTs可见光利用率低的弊端，通过阳极氧化法和电化学沉积法成功制备得Pd-MnO2/TiO2NTs光电极，利用SEM、XRD和UV-vis/DRS对Pd-MnO2/TiO2NTs光电极的表面形貌、晶体组成和光吸收性能进行表征分析。结果表明，Pd-MnO2微粒被成功负载到电极表面；Pd和MnO2共修饰显著的提高了TiO2NTs的可见光吸收强度，促进了光生载流子的传输，提高了光催化活性。Pd-MnO2/TiO2NTs光电极对罗丹明B降解速率比Pd/TiO2NTs和MnO2/TiO2NTs光电极分别提高了1.73倍和0.67倍。
为进一步提高TiO2NTs光电极的光催化活性，采用三电极体系在TiO2NTs光电极表面进行MnO2和Ag掺杂，煅烧后成功制得Ag2Mn8O16纳米晶NCs/TiO2NTs光电极，采用SEM、XRD和XPS对光电极的表面形貌、晶体组成和光吸收性能进行表征分析，以罗丹明B为目标污染物来评价其光催化降解性能。结果表明，Ag和Mn8O16纳米晶成功负载到TiO2NTs光电极表面；Ag和Mn8O16纳米晶共修饰提高了对可见光的吸收，促进光生载流子的转移。制备的Ag2Mn8O16NCs/TiO2NTs光电极具有卓越的有机物光催化降解性能，对罗丹明B降解速率比Ag/TiO2NTs和MnO2/TiO2NTs光电极分别提高了0.71倍和4.74倍。
以Ag2Mn8O16NCs/TiO2NTs光电极作为光阳极，设计并制作了一个容量为500mL的光催化氧化废水处理反应器。该反应器同时采用5个光电极，光催化反应2h罗丹明B的降解效率可达96%，光催化活性速率常数为0.0311min-1。因此，本研究建立的光反应器显示出了出色的有机污染物光催化降解效果，为TiO2纳米技术的实际应用提供了有价值的理论支撑。