tio2纳米管阵列电极的制备及其在降解染料废水中的应用研究
摘 要摘 要二十一世纪全球范围的污染问题和能源短缺已经成为了人类不得不面对的两大迫在眉睫的现实问题。用光催化这种绿色环保的化学技术来去除环境污染中难以降解的有持续性危害的有机污染物的研究已经在人们的眼中越来越热门。TiO2作为一种光催化材料，有着材料来源丰富廉价，活性高，化学性质稳定等优点的材料的同时，又存在着太阳光的利用率和量子效率都偏低。为了解决这两个课题，本论文采用阳极氧化法来制备TiO2纳米管阵列电极，并且分别考察有机相电解液中不同的含水量，不同的加压方式以及不同的阳极氧化时间的条件下制备的TiO2纳米管阵列电极，结合扫描电镜，X射线电子衍射以及电化学表征等手段，对其形貌结构进行分析。并以亚甲基蓝作为目标污染物，考察不同实验条件下制备的TiO2纳米管阵列电极的光电催化活性。根据实验数据可以得出在2%浓度的含水量和0.1V/s加压到60V条件下经过0.5h的阳极氧化制备出的TiO2纳米管阵列电极，在形貌上具有较高的有序阵列结构，结构完整。在光电催化作用下对亚甲基蓝废水的降解效率最高。关键词：TiO2纳米管阵列电极；阳极氧化；光电催化；亚甲基蓝（MB）目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景 1
1.2 国内外相关领域研究进展 2
1.2.1 TiO2光催化剂研究进展 2
1.2.3 TiO2纳米管阵列的研究进展 6
1.2.4 TiO2纳米管阵列的应用 8
1.3 选题依据、目的、意义和内容 10
1.3.1 选题依据 10
1.3.2研究目的和意义 11
1.3.3.研究内容 11
第二章 实验材料与方法 13
2.1 实验材料与设备 13
2.1.1 实验材料 13
2.1.2 实验试剂 13
2.1.3 实验设备 13
2.2 实验方法 14
2.2.1 TiO2纳米管电极的制备 14
2.2.2 材料表征 15
2.2.3 TiO2纳米管阵列电极光电催化活性考察 15
第三章 结果与讨论 17
3.1 TiO2纳米管阵列的形貌及结构表征 17
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
2.1.2 实验试剂 13
2.1.3 实验设备 13
2.2 实验方法 14
2.2.1 TiO2纳米管电极的制备 14
2.2.2 材料表征 15
2.2.3 TiO2纳米管阵列电极光电催化活性考察 15
第三章 结果与讨论 17
3.1 TiO2纳米管阵列的形貌及结构表征 17
3.1.1 不同加压方式制备TiO2纳米管阵列电极扫描电镜图 17
3.1.2 不同含水量制备TiO2纳米管阵列电极的扫描电镜图 18
3.1.3 不同阳极氧化时间制备的TiO2纳米管阵列电极的扫描电镜图 19
3.2 TiO2纳米管阵列电极的结构表征 20
3.2.1 电极的结构表征 20
3.3 不同制备条件下对TiO2纳米管阵列的IV曲线分析 20
3.3.1 不同含水量的电解液制备的TiO2纳米管阵列的IV曲线影响 20
3.3.2 不同加压方式制备对TiO2纳米管阵列的IV曲线的影响 21
3.3.3 不同阳极氧化时间制备TiO2纳米管阵列电极的光电化学性能 22
3.4 TiO2纳米管阵列电极的光电催化性能研究 23
结 论 28
致 谢 29
参 考 文 献 30
第一章 绪论
1.1研究背景
随着经济和科技飞速发展的今天，各种环境问题和能源短缺问题也随着爆发出来，诸如温室效应，臭氧层破坏，酸雨，水污染，雾霾等，这些问题也越来越受到全世界人类的关注，特别是受到了一些发展中国家的重视。因为发展国家现在所面临的不仅仅是重度的水体和空气污染，还面临是全世界性的能源短缺，不可再生资源的代替与能源清洁问题的课题被提上了日程。发展中国家开始不停地寻求可再生的清洁能源，并且把这些能源不仅运用在发展上，而且还运用在治理环境问题上。而在上个世纪70年代，Fujishima从N型半导体TiO2电极上察觉了水的光催化分解作用，从而开拓了半导体光催化这一新的领域。同样在上个世纪70年代，Yokata T等人发现，TiO2对环丙烯环氧化拥有光催化活性，从而完成了光催化反应的应用的拓宽，它提供了用于有机化合物的新方式。而近年来，光催化技术的应用研究快速的发展，在环保、卫生健康、自洁净等领域都得到了运用。TiO2光电催化因为它的优秀的特征一跃成为了世界上最为活跃的研究领域之一，比如它具有：氧化活性高，化学稳定性，无毒害以及价格低廉，结构特殊，耐光腐蚀，能够缩小二次污染等，同样成了最具有开发前程和能够成为产业化的环境污染净化技术的光催化原料。
当今中国作为世界上最大的发展中国家，经济、社会、工业的蓬勃发展，带来的是不吝以败坏环境为代价，从而去追逐各个发达国家，来缩短两者之间的距离。使得国内的环境污染问题愈发的严重，这不仅给国人的生活与健康造成了影响，更将会对我们的后代带来了不可磨灭的毁灭性打击。经济的发展伴随的肯定是工业的繁荣，但是工业越是繁荣，污染问题越是严重，其中的染料废水更是成为了水体重度的污染源之一。染料废水色度深、有机污染物含量高、组分繁杂、水质变化和生物毒性大、难以运用生物降解、染料抗光解和抗氧化性强，它含有多种生物毒性或能导致人类癌症，异常，致突变有机物，难以用常规水处理降解，对环境造成严重污染的。据统计，在染料生产过程中，每吨染料，要随废水失掉2%的产物。而经过印染的过程中亏损更大，为所用染料的10%。而目标废水中含有的苯环基、偶氮基等基团的染料令人易得上膀胱癌。染料废水中剩余的染料组分，纵然浓度很低，排入水体亦会造成水体透光率的降低，而最终致使水体生物链的破坏，所以必需进行实时的治理。因此，通常染料废水为了到达排放指标会采用化学法来进行处理，而光催化半导体的出现给我们带来新的水处理手段。
钛电极经过了阳极氧化的处理形成的TiO2纳米管阵列电极的阵列结构高度有序，TiO2纳米管阵列电极和粉末状的TiO2相比有着更强的吸附能力，更快的电荷传递性，更大的比表面积和更容易回收等多种优点。本实验的阳极氧化运用了电化学方式，使作为阳极的钛电极的表面产生了氧化物。运用此方式制备出的电极，结构特性独特，强耐光腐蚀性。当今世界，已经有很多研究者大量的对TiO2纳米管进行研究，不停地增加TiO2纳米管应用范围。如今，TiO2纳米管阵列电极可以应用在作为光催化剂、氢传感器、光解水制氢、染料敏华太阳能电池、微电子领域中等许多方面，大量的报道也很好的增加了这项新兴技术的知名度与认知度。光催化降解污染物技术已经一跃成为了最具有发展潜力的绿色水处理技术之一。尤其是光催化对有机污染物的降解，它可以使水中的有机污染物彻底矿化，使污染物与水体分离。目前，光催化氧化技术中的困难是增大光谱响应范围从而使可见光的利用率升高和高量子产率的高效半导体光催化剂。
1.2 国内外相关领域研究进展
1.2.1 TiO2光催化剂研究进展
TiO2作为一种两性氧化物的半导体光催化剂，因为是它的优良的结构稳定性、价格低、无毒无害等特性而被普遍的开发利用和研究[39]。根据报告[10]，TiO2最先利用光催化反应是在1938年用TiO2分别在真空和氧气环境中对染料进行紫外光漂白作用。在紫外光吸收的过程当中，在TiO2表面产生活性氧物种的作用致使了漂白了染料。但此时TiO2自己却没有发生任何变动，还不能被定义为光催化剂，只是被定义为光敏剂。而从上个世纪50年代中期，光催化剂的定义才被日本的Mashio等人开始使用的，他们用高压汞灯对TiO2进行强光照，并且在醇类和烃类的混合有机溶液中投加了TiO2，最后的实验结果显示出在TiO2在高压汞灯的照射下会让醇类和烃类的混合有机溶液会生成双氧水。自从上个世纪70年代初期，日本科学家Fujishima和
第一章 绪论 1
1.1研究背景 1
1.2 国内外相关领域研究进展 2
1.2.1 TiO2光催化剂研究进展 2
1.2.3 TiO2纳米管阵列的研究进展 6
1.2.4 TiO2纳米管阵列的应用 8
1.3 选题依据、目的、意义和内容 10
1.3.1 选题依据 10
1.3.2研究目的和意义 11
1.3.3.研究内容 11
第二章 实验材料与方法 13
2.1 实验材料与设备 13
2.1.1 实验材料 13
2.1.2 实验试剂 13
2.1.3 实验设备 13
2.2 实验方法 14
2.2.1 TiO2纳米管电极的制备 14
2.2.2 材料表征 15
2.2.3 TiO2纳米管阵列电极光电催化活性考察 15
第三章 结果与讨论 17
3.1 TiO2纳米管阵列的形貌及结构表征 17
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
2.1.2 实验试剂 13
2.1.3 实验设备 13
2.2 实验方法 14
2.2.1 TiO2纳米管电极的制备 14
2.2.2 材料表征 15
2.2.3 TiO2纳米管阵列电极光电催化活性考察 15
第三章 结果与讨论 17
3.1 TiO2纳米管阵列的形貌及结构表征 17
3.1.1 不同加压方式制备TiO2纳米管阵列电极扫描电镜图 17
3.1.2 不同含水量制备TiO2纳米管阵列电极的扫描电镜图 18
3.1.3 不同阳极氧化时间制备的TiO2纳米管阵列电极的扫描电镜图 19
3.2 TiO2纳米管阵列电极的结构表征 20
3.2.1 电极的结构表征 20
3.3 不同制备条件下对TiO2纳米管阵列的IV曲线分析 20
3.3.1 不同含水量的电解液制备的TiO2纳米管阵列的IV曲线影响 20
3.3.2 不同加压方式制备对TiO2纳米管阵列的IV曲线的影响 21
3.3.3 不同阳极氧化时间制备TiO2纳米管阵列电极的光电化学性能 22
3.4 TiO2纳米管阵列电极的光电催化性能研究 23
结 论 28
致 谢 29
参 考 文 献 30
第一章 绪论
1.1研究背景
随着经济和科技飞速发展的今天，各种环境问题和能源短缺问题也随着爆发出来，诸如温室效应，臭氧层破坏，酸雨，水污染，雾霾等，这些问题也越来越受到全世界人类的关注，特别是受到了一些发展中国家的重视。因为发展国家现在所面临的不仅仅是重度的水体和空气污染，还面临是全世界性的能源短缺，不可再生资源的代替与能源清洁问题的课题被提上了日程。发展中国家开始不停地寻求可再生的清洁能源，并且把这些能源不仅运用在发展上，而且还运用在治理环境问题上。而在上个世纪70年代，Fujishima从N型半导体TiO2电极上察觉了水的光催化分解作用，从而开拓了半导体光催化这一新的领域。同样在上个世纪70年代，Yokata T等人发现，TiO2对环丙烯环氧化拥有光催化活性，从而完成了光催化反应的应用的拓宽，它提供了用于有机化合物的新方式。而近年来，光催化技术的应用研究快速的发展，在环保、卫生健康、自洁净等领域都得到了运用。TiO2光电催化因为它的优秀的特征一跃成为了世界上最为活跃的研究领域之一，比如它具有：氧化活性高，化学稳定性，无毒害以及价格低廉，结构特殊，耐光腐蚀，能够缩小二次污染等，同样成了最具有开发前程和能够成为产业化的环境污染净化技术的光催化原料。
当今中国作为世界上最大的发展中国家，经济、社会、工业的蓬勃发展，带来的是不吝以败坏环境为代价，从而去追逐各个发达国家，来缩短两者之间的距离。使得国内的环境污染问题愈发的严重，这不仅给国人的生活与健康造成了影响，更将会对我们的后代带来了不可磨灭的毁灭性打击。经济的发展伴随的肯定是工业的繁荣，但是工业越是繁荣，污染问题越是严重，其中的染料废水更是成为了水体重度的污染源之一。染料废水色度深、有机污染物含量高、组分繁杂、水质变化和生物毒性大、难以运用生物降解、染料抗光解和抗氧化性强，它含有多种生物毒性或能导致人类癌症，异常，致突变有机物，难以用常规水处理降解，对环境造成严重污染的。据统计，在染料生产过程中，每吨染料，要随废水失掉2%的产物。而经过印染的过程中亏损更大，为所用染料的10%。而目标废水中含有的苯环基、偶氮基等基团的染料令人易得上膀胱癌。染料废水中剩余的染料组分，纵然浓度很低，排入水体亦会造成水体透光率的降低，而最终致使水体生物链的破坏，所以必需进行实时的治理。因此，通常染料废水为了到达排放指标会采用化学法来进行处理，而光催化半导体的出现给我们带来新的水处理手段。
钛电极经过了阳极氧化的处理形成的TiO2纳米管阵列电极的阵列结构高度有序，TiO2纳米管阵列电极和粉末状的TiO2相比有着更强的吸附能力，更快的电荷传递性，更大的比表面积和更容易回收等多种优点。本实验的阳极氧化运用了电化学方式，使作为阳极的钛电极的表面产生了氧化物。运用此方式制备出的电极，结构特性独特，强耐光腐蚀性。当今世界，已经有很多研究者大量的对TiO2纳米管进行研究，不停地增加TiO2纳米管应用范围。如今，TiO2纳米管阵列电极可以应用在作为光催化剂、氢传感器、光解水制氢、染料敏华太阳能电池、微电子领域中等许多方面，大量的报道也很好的增加了这项新兴技术的知名度与认知度。光催化降解污染物技术已经一跃成为了最具有发展潜力的绿色水处理技术之一。尤其是光催化对有机污染物的降解，它可以使水中的有机污染物彻底矿化，使污染物与水体分离。目前，光催化氧化技术中的困难是增大光谱响应范围从而使可见光的利用率升高和高量子产率的高效半导体光催化剂。
1.2 国内外相关领域研究进展
1.2.1 TiO2光催化剂研究进展
TiO2作为一种两性氧化物的半导体光催化剂，因为是它的优良的结构稳定性、价格低、无毒无害等特性而被普遍的开发利用和研究[39]。根据报告[10]，TiO2最先利用光催化反应是在1938年用TiO2分别在真空和氧气环境中对染料进行紫外光漂白作用。在紫外光吸收的过程当中，在TiO2表面产生活性氧物种的作用致使了漂白了染料。但此时TiO2自己却没有发生任何变动，还不能被定义为光催化剂，只是被定义为光敏剂。而从上个世纪50年代中期，光催化剂的定义才被日本的Mashio等人开始使用的，他们用高压汞灯对TiO2进行强光照，并且在醇类和烃类的混合有机溶液中投加了TiO2，最后的实验结果显示出在TiO2在高压汞灯的照射下会让醇类和烃类的混合有机溶液会生成双氧水。自从上个世纪70年代初期，日本科学家Fujishima和
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/hxycl/hxyhj/590.html
