论文部分内容阅读
光电催化技术在传统光催化反应的基础上引入外加电压,具有环境友好、无选择性、降解力度大等特点,近些年已被应用于纺织印染废水的治理与环境改善等领域。在光电催化系统中,光电极材料的选择至关重要。TiO2作为传统光催化材料,具有独特的紫外光吸收、光电转换及光催化性能,在污水治理领域有广泛的使用价值和应用前景。但是,TiO2的禁带宽度较大（3.2eV）,仅能有效吸收太阳光中5%的紫外光,光能利用率低;并且TiO2的光生电子-空穴复合率较高,这些都在很大程度上限制了其催化性能的利用。因此,通过掺杂改性提升TiO2的催化性能,是接下来研究工作的焦点。本论文通过改性TiO2材料制备光电极,应用于光电催化装置中,对所制备光电极的光催化、电催化、光电催化脱色性能进行了系统分析。首先,采用阳极氧化法制备了TiO2纳米管阵列（TiO2 NTA）,通过电化学沉积法将聚吡咯（PPy）沉积在纳米管中对其进行掺杂改性,使用扫描电镜、X射线衍射谱、红外光谱、拉曼光谱、紫外可见光谱、电化学工作站等测试对PPy复合TiO2 NTA（PPy@TiO2 NTA）光电极进行表征分析。结果表明,TiO2 NTA开口均匀,经过电化学沉积后管壁及表面均有沉积物附着,并且检测到PPy特征峰和吡咯环的振动峰,表明PPy在Ti O2 NTA中形成沉积,PPy@TiO2 NTA光电极在紫外光区域的光吸收能力得到提升。然后,分别采用光、电和光电催化三种方式对TiO2 NTA和PPy@TiO2 NTA光电极的催化脱色性能进行了探究。结果表明,相比于未经掺杂的TiO2 NTA电极,PPy@TiO2 NTA光电极在三个体系的催化实验中均表现出更高效的脱色效率,证实了PPy的掺杂可以提高TiO2 NTA的催化性能。这是因为,PPy作为p型半导体,能与n型半导体TiO2 NTA掺杂后形成p-n结,加速电子空穴对的分离,对活性基团的产生起到促进作用,加快了PPy@TiO2NTA光电极对染料分子的催化脱色进程。此外,通过分析光电催化脱色实验结果发现,PPy@TiO2 NTA和TiO2 NTA光电极的光电催化脱色效率高于光催化脱色效率与电催化脱色效率之和,存在光电协同效应。除了金属载体的光电极外,本论文还以滤纸为载体、还原氧化石墨烯（rGO）掺杂纳米TiO2为催化剂,采用刮刀涂层法在滤纸上制备含有经rGO掺杂的TiO2的光电极（rGT/FP）。采用扫描电镜、X射线能谱、紫外可见光谱等测试手段对制备的光电极进行表征分析,结果表明:氧元素和碳元素在滤纸膜上分布均匀,rGT/FP光电极光响应范围拓展到可见光区域,对紫外光的吸收也有所增强,而且瞬时光电流相较于未经掺杂的空白光电极TiO2/FP提高了约3.5倍。rGT/FP光电极的光电催化脱色性能通过催化脱色亚甲基蓝染料模拟废水进行表征。结果表明,与未经掺杂的TiO2/FP光电极相比,rGT/FP光电极对MB染料溶液的光、电和光电脱色效率均较高,这主要是由于rGO的掺杂加速了光生电子空穴对的分离,对催化效率的提升有促进作用。而且由于光电协同效应的存在,光电催化脱色效率高于光催化与电催化脱色效率的总合。