新型電極材料光-電催化降解有機(jī)污染物及污染物化學(xué)能的綜合利用.pdf

1、隨著人口的急劇增長和現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展，大量的有毒有害廢物、生活污水和工業(yè)廢水等通過各種途徑進(jìn)入到水體，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和生態(tài)破壞。而傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)（如物理化學(xué)法和生物法）難以達(dá)到理想的處理效果，因此發(fā)展高效的處理方法已是迫在眉睫。高級(jí)氧化技術(shù)可以通過產(chǎn)生羥基自由基（OH·）來氧化有機(jī)污染物，并具有氧化能力強(qiáng)、氧化速度快和處理效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此成為了近年來國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。而半導(dǎo)體光催化氧化技術(shù)作為高級(jí)氧化技術(shù)的一種，被認(rèn)為是廢

2、水處理中極具發(fā)展前景的催化氧化技術(shù)之一，其與傳統(tǒng)的污染物處理方法相比具有綠色、節(jié)能、高效、無二次污染和污染物降解徹底等優(yōu)點(diǎn)，而高效的光催化劑是該技術(shù)的關(guān)鍵所在。本論文針對(duì)于傳統(tǒng)的粉體TiO2光催化材料在有機(jī)污染物處理過程中，存在著電荷復(fù)合嚴(yán)重、可見光吸收差和處理效率低等不足，開展了新型、高效的TiO2納米管（孔）陣列電極材料的制備、可見光響應(yīng)拓展以及光/電催化降解有機(jī)污染物方面的研究，以實(shí)現(xiàn)有機(jī)污染物的高效處理;同時(shí)，對(duì)污染物降解過程中

3、釋放的化學(xué)能開展了研究。通過設(shè)計(jì)一個(gè)基于TiO2納米管陣列電極的光催化燃料電池體系，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)污染物降解和及其化學(xué)能的利用。
　　TiO2納米管(孔)陣列電極材料的制備及其性能研究。論文首先研究了利用HF-H2O介質(zhì)和含氟的二甲亞砜(HF-DMSO)介質(zhì)陽極氧化制備TiO2納米管陣列(TNA)及其光電化學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)納米管的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如管長、管徑和管壁厚度）、基底結(jié)構(gòu)及材料穩(wěn)定性等均會(huì)對(duì)其光電催化性能產(chǎn)生重要影響。為了獲得結(jié)構(gòu)穩(wěn)定

4、、壽命長和電子傳輸快的納米管電極，論文利用陽極氧化技術(shù)和超聲波技術(shù)制得了一種管長相對(duì)較短的TiO2納米管陣列(STNA)薄膜;在陽極氧化電壓5～20 V范圍內(nèi)，制得了管徑12～65 nm、管長75～280 nm的納米管陣列薄膜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，盡管這種STNA材料管長較短，但卻具有良好的光電催化性能，這與其優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性和良好的電子傳輸性能有關(guān)。例如，與利用傳統(tǒng)磁力攪拌方法制得的納米管陣列電極相比，在相同實(shí)驗(yàn)條件下STNA電極產(chǎn)生的飽和

5、光電流約為前者的1.80倍;在降解四環(huán)素時(shí)，STNA電極的去除率要比前者高出20％以上。此外，論文還通過低溫陽極氧化和超聲后處理方法，在HF-DMSO介質(zhì)中制備了一種新型且高度有序的TiO2納米孔陣列(TNP)材料。這種由長納米管脫落后得到的多孔結(jié)構(gòu)，由于納米TiO2與基底間特有的緊密結(jié)合，使得光生電子在其內(nèi)部能夠快速的傳輸，因而表現(xiàn)出了比傳統(tǒng)TNA電極更為優(yōu)異的光電催化降解有機(jī)物性能。論文還考察了偏電壓、電解質(zhì)濃度、pH和有機(jī)物初始濃

6、度等參數(shù)對(duì)TiO2納米管（孔）陣列電極光電催化降解有機(jī)污染物性能的影響。
　　TiO2納米管陣列電極材料的可見光改性。論文以STNA電極為基礎(chǔ)，利用超聲電化學(xué)沉積技術(shù)制備了兼具高效可見光吸收性能和高穩(wěn)定性的CdS/STNA復(fù)合電極和Cu2O/STNA復(fù)合電極，以解決傳統(tǒng)沉積方法中沉積顆粒與納米管間結(jié)合力差和沉積顆粒分布不均等不足。SEM和XRD分析表明六方晶型的CdS納米顆粒均勻分布在納米管表層;DRS分析表明，CdS的存在使得復(fù)

7、合電極的吸收邊擴(kuò)展至525 nm，明顯改善了對(duì)太陽光的利用率。CdS的沉積量有一最佳值，在本文條件下沉積10 min時(shí)為最佳;SEM，EDS，XPS和XRD等分析表明，呈八面體型的Cu2O顆粒均勻分布在納米管表層。Cu2O的摻入顯著擴(kuò)展了復(fù)合電極的可見光吸收范圍以及提高了其光電催化性能。Cu2O沉積5 min時(shí)，復(fù)合電極的性能最佳，其產(chǎn)生的光電流密度值比純納米管電極高出4.75倍以上。
　　污染物降解過程中釋放化學(xué)能的利用。針對(duì)于

8、有機(jī)污染物降解過程中化學(xué)能的利用問題，論文基于原電池原理，以性能優(yōu)異的STNA電極為陽極，鍍過鉑黑的鉑片為陰極，設(shè)計(jì)了一種光催化燃料電池(PFC)體系，以同時(shí)實(shí)現(xiàn)有機(jī)污染物的降解及其釋放化學(xué)能的利用。并以多種模型化合物、難降解有機(jī)物和實(shí)際廢水為基質(zhì)，考察了電池體系的性能;結(jié)果表明，光陽極材料、陰極材料、電解質(zhì)濃度和pH等均會(huì)對(duì)電池性能產(chǎn)生重要影響。另外，利用PFC產(chǎn)生的電能為另一光催化體系提供偏壓，以構(gòu)成一個(gè)由PFC提供偏壓的光電催化降