bifeo32ftio2基纳米管阵列复合材料的制备及其光催化性能研究

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1、大连理工大学硕士学位论文1绪论1．1研究背景．全球范围内的环境污染状况及整治活动已经使人们意识到迫切需要新的环保技术和清洁化学技术，这也是目前环境化学及相关领域的科学家所面临的挑战之一。其中水体污染的原因主要由工业排放、过量使用农药、农业用肥、残留药剂以及填埋生活垃圾引起的l】J。同样空气污染主要是由人类活动引起的，比如工业生产过程中的石化生产、储存分配、溶剂以及汽车尾气排放等12J。废水处理技术通常是机械处理、生物、物理以及化学过程等的联合处理过程，例如过滤、絮凝、消毒或者有机污染物的化学氧化通常都是结合处理，这取决于给定废水的处理要求来定13J。有毒气体

2、的去除主要通过吸附作用完成。工业废水成分复杂，各种持久性有机污染物很难完全净化，比如印染废水，其中含有染料、染色助剂、料浆及油剂、纤维杂质、酸、碱及无机盐等，排放量往往很大，被公认为是最难治理的主要有害废水之一14J，因此处理工艺也相对很复杂。另外还有一类有毒有机污染物一全氟碳化物(PFCs)，早在上世纪60年代就有关于人体血清中发现PFCs的报道，由于PFCs具有远距离传输能力pJ，因此污染范围十分广泛，可能会引发生态问题和危害人体健康，因此对PFCs的环境治理也迫在眉睫。半导体光催化技术对于多种污染物的去除来说是一种新型的优势技术16j。Ti02作为最传

3、统的光催化剂，虽然具有价廉、无毒、稳定以及可以重复使用等优点14J，但是随着科学的发展，人们也认识到了它的带隙较宽、光谱响应范围较窄、量子效率低等缺陷，因此科学家们已经尝试对其做了很多改性研列7。。其主要应用领域如图1．1所示，包括杀菌消毒、空气净化、水处理、去除雾霾颗粒物、防污自洁、产氢等领域。目前很多新型的半导体催化剂也已经合成并应用于大气和水中各种污染物的光催化降解。随着光催化技术领域研究范围的日益拓展，人们开始引进电化学技术提高光催化反应效率，并增强对生物法难处理的有机污染物的降解能力。结合电化学技术的光电催化技术逐渐被认为是一个替代传统光催化技术的

4、创新技术之一18J。光电催化是一种特殊的多相催化，最具有代表意义的光电催化是转换太阳能为化学能的贮能反应，如SrTi03或SrTi03／Rh／Sb光催化分解水产生氢和氧【9J。光电催化的具体原理如图1．2所示，半导体材料作为光阳极，发生的光电化学反应是指光辐照与电解液接触的半导体表面后发生光生电子．空穴对分离，然后与溶液中离子进行的氧化还原反应ll⋯。通常来说单纯半导体光电极例如Ti02的光催化活性并不高，是由于其光能利用率低所限制，而采用表面BiFe03／Ti02基纳米管阵列复合材料的制备及其光催化性能研究修饰或者将具有某些优越功能的物质(金属、半导体、化

5、学基团和聚合物)负载于电极表面，能改善和扩展电极功能11¨。UVirradiation，、～一一．。璺鲤堕叫I■■■■■■■—●■■■■■■■_■_?卢遄图1．1光催化主要应用领域示意图【7】Fig1．1Schematicillustrationofapplicationsofphotocatalysisl7】Photoanode(Ti02)图1．2Ti02光催化剂的光电催化机理及其表面发生的反应110IFig．1．2MechanismofphotoelectrocatalyticprocessusingTi02photocatalystandthereac

6、tionsthatoccuratthesurface[1012大连理工大学硕士学位论文1．2Ti02基光催化材料的研究概况1．2．1Ti02基光催化材料的研究进展近几十年来，由于含量丰富、较稳定以及成本低的原因，纳米Ti02材料已引起了越来越多的关注，在许多应用领域中具有优异的性能，如光催化ll2，13j、太阳能电池114，15J、生物医学领域【161、能源存储设备(如超级电容器㈣和锂离子电池【181、热电材料【19】等)。一般人们提到的Ti02晶体结构主要有三种类型：锐钛矿、金红石和板钛矿IZ川，并且对于光催化反应来说三种不同类型具有不同的活性，有许多文献

7、报道锐钛矿类型的Ti02催化材料在降解污染物时具有最佳光催化效率。Ti02纳米材料缺陷在于电子．空穴复合几率较高，为了提高Ti02的光催化效率，可以选择其他材料例如吸附剂和金属纳米颗粒在Ti02材料表面进行修饰。吸附材料有活性炭[21,22】、多孔二氧化硅123,241、高岭石125,26】，修饰之后的Ti02复合材料能有效促进挥发性有机物的吸附，并确保没有中间气态污染物扩散到大气中。另外，一些贵金属纳米颗粒如Pt【27】，Pd【281，Au[291，Agl301等沉积在Ti02表面，可以通过电子迁移和抑制电子．空穴的复合来增强光催化活性Ij¨，尤其是Ag纳

8、米颗粒，已在一些商业产品中被广泛应用于消毒剂。因此，