应用于光催化降解有机污染物的膜研究

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随着人类社会环境的持续污染,寻求无二次污染的环境修复技术与可再生资源成了当务之急。TiO2光催化剂具有的氧化能力强、无毒无害、利用太阳能等特点,使得其在处理工业有机污染废水的广泛应用成为可能。但是,TiO2在以颗粒形态进行污染物降解后需要进行回收,该回收过程复杂,且极易造成TiO2颗粒的流失。此外,TiO2只能在紫外光范围内被激发,因此其对太阳能的利用率相当有限。实际应用中,影响TiO2光催化能力的另一大瓶颈是其光生电子空穴对的复合效率超过了电子空穴对的分离效率。针对上述问题,本文主要通过研究制备一种TiO2膜,从而避免了颗粒状TiO2在回收过程中可能存在的流失问题;此外,笔者对TiO2膜进行了修饰,以拓宽其光谱激发范围,从而提高其对阳光的利用率;并且在光催化基础上采用外加偏压技术,形成电助光催化效应,能够促进光生电子空穴的分离,进一步提高光催化能力。本论文通过将溶胶凝胶喷涂在导电玻璃上得到TiO2薄膜,然后利用水热法将p型半导体Cu2O负载于n型半导体TiO2上,形成一种Cu2O/TiO2复合膜;随后将Cu2O/TiO2复合膜作为阳极,Ti片作为阴极,外加偏压进行电助光催化降解亚甲基蓝的实验。实验中制备的纯TiO2和Cu2O/TiO2复合膜均通过SEM、XRD和UV-vis等手段进行了表征。纯TiO2薄膜表面存在丰富的不规则裂隙和TiO2团聚体,具有较大的比表面积,其晶型为具有高光催化活性的锐钛矿型;当亚甲基蓝浓度为10ppm, pH=8时纯TiO2膜的光催化降解效率最高,达到了70%。Cu2O/TiO2复合膜表面的不规则TiO2裂隙中存在网状结构的Cu2O, TiO2团聚体并未受到影响;复合膜中的TiO2仍为锐钛矿型,经UV-vis表征发现Cu2O/TiO2复合膜的光吸收能力发生了红移,对光的吸收范围变宽且吸收能力变强;在光催化降解实验中,Cu2O/TiO2复合膜在亚甲基蓝浓度为10ppm, pH=8时降解效率最高,达到了80%。在电助光催化实验中,当偏压为0.8V,pH=10的条件下,更小面积的Cu2O/TiO2复合膜的降解效率甚至超过80%。通过本文的研究,发现Cu2O/TiO2复合膜的光催化能力要高于纯TiO2膜,当在Cu2O/TiO2复合膜外加偏压时,其降解效率又高于不加偏压的情况。因此可知通过对TiO2的修饰改性,以及施加电助光催化技术能够较大程度提高TiO2光催化能力,其对TiO2在实际有机污染物降解的应用具有较高的参考价值。
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