vib族元素掺杂改性二氧化钛膜电极制备和光电催化降解性能的研究

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1、AThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofEngineeringFabricationandphotoelectrocatalyticdegradationpropertiesofVIBraceofelements-dopedtitanium-filmelectrodesCandidate:GongJianyuMajor:EnvironmentalEngineeringSupervisor:Prof.YangCh

2、angzhuHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan,Hubei430074,P.R.ChinaMay,2012独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关

3、保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在______年解密后适用本授权书。本论文属于不保密√（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 摘要为了使TiO2能够在可见光条件下实现光催化或光电催化降解有机物，就需要对其进行掺杂改

4、性，因此，本论文以六价金属元素为掺杂物质，分别通过液相沉积法、阳极氧化法、水热溶胶法以及染料敏化等多种方式制备掺杂改性的TiO2，并将其在紫外和可见光下用于光（电）催化降解水体中的污染物。通过X射线衍射仪（XRD）、X射线能谱仪（XPS）、透射电镜(TEM)、扫描电镜(FSEM)、傅利叶红外光谱(FTIR)、紫外-可见光谱分析(UV-vis)和光电化学分析等测试技术，对制备的掺杂TiO2晶体结构、能带、表面形貌、以及光电化学性能进行了详细研究。并且，利用第一性原理对掺杂体系TiO2能带和电子密度进行计算，从而解释了因掺

5、杂引起的TiO2能带变化的本质。本论文主要研究结果如下：（1）采用液相沉积法分别制备了W、Cr和Mo掺杂的TiO2薄膜电极。相比未掺杂TiO2而言，其光电催化性能均得到了显著的提高。W-STiO2、Cr-STiO2和Mo-STiO2电极经400℃处理后均表现出锐钛矿晶型，在UV光照并外加1.5V电压时，对甲基橙（MO）的降解率2h内分别达到55%、47.9%和38.3%。经过进一步的表征发现，5%W-STiO2电极具有很好的可见光光电催化活性，选取其对十二烷基苯磺酸钠（SDBS）进行可见光电降解，综合考察了不同外加电压

6、、溶液pH值、初始浓度等因素，当外加电压为1V时，对500mg/L浓度DBS的光电催化降解率90min内可达到92%，显示出了较好的光电催化能力。另一方面，选取Cr和Fe制备了具有NP异质结构的TiO2薄膜电极，经过对多种掺杂浓度的比较分析，Cr0.4%-Fe0.7%-TiO2具有最好的光电催化性能，对MO的UV光电催化2h降解率可以达到58%。（2）通过一种简易、有效的方法在NH4F/甘油/H2O体系中，采用阳极氧化法直接一步制得六价金属元素掺杂的TiO2纳米管（NT）。掺杂后NT的光电催化性能相比未掺杂的NT都有所

7、增强。其中，当W的掺杂浓度为0.005M并经400℃烧结后的NT具有最好的光电催化性能，在UV并外加1.5V电压时，对MO的降解率2h可以达到78.9%。另一方面，0.015MCr-NT并经400℃后的对MO的光电催化降解率2h也接近80%，通过XRD分析可知，Cr-NT的晶体结构即使在600℃烧结时也依然保持I华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 锐钛矿晶型，这有利于光电催化反应，同时也表明掺杂物质是进入到了TiO2晶格中。（3）利用水热溶胶法制备了氮掺杂和六价金属元素与氮共掺杂的TiO2粉体颗粒。N-Ti

8、O2经过600℃热处理后，具有很好的光催化性能，在UV光照下对MO的降解可以达到30min内实现彻底降解，在可见光条件下对MO的降解率可以在2h内达到51.5%。共掺杂改性制备得到的W/N-TiO2具有更好的光催化性能，在可见光照射下对MO的降解率可以在2h内达到68.1%。通过形貌观测后发现，W/N-TiO2的表面形态发生了明显