等离子体辅助二氧化钛复合电极的制备及性能研究

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光电催化技术,因其具有处理效率高,无二次污染等优点,广泛用于废水处理,其关键技术在于光电催化剂的研发。而采用介质阻挡放电等离子体技术可进行材料改性,增加材料表面活性物种的引入,从而提升材料的光电性能。本文以水热法制备得到的二氧化钛纳米棒为基底,通过等离子体进行材料改性制备,以期提高复合电极对污染物的催化降解效率,并探究其作用机理。首先对g-氮化碳(g-C3N4)和氧化银(Ag2O)粉末进行介质阻挡放电等离子体(DBD)改性,以两步沉积法得到g-氮化碳氧化银二氧化钛纳米棒(g-C3N4/Ag2O/TiO2-NRs)电极。通过改变介质阻挡放电(DBD)等离子体处理时间(0、5、10、20 min),发现g-C3N4和Ag2O粉末各自改性5 min得到的三元电极具有最好的光电性能。通过XPS和XRD分析未经等离子体处理以及处理后的三元复合电极,表明等离子体处理过程中能诱导产生大量含氧活性物质,作用于复合材料,改变材料的表面化合价态,从而提高三元复合电极的光电性能。以苯酚水溶液为处理目标,g-C3N4/Ag2O/TiO2-NRs电极为工作电极,建立光电催化反应体系,在pH=3和pH=5.85两种条件下,研究等离子体处理时间、不同催化方式、不同复合电极、外加偏压等因素对污染物处理效果的影响。降解反应进一步表明两种粉末均改性5 min时对苯酚的去除效果最好,反应经过2 h后,苯酚去除率在pH=3时达到73.27%,pH=5.85时为58.54%。酸性条件下,在光催化反应中能产生羟基自由基,促进苯酚的降解。考虑能耗问题,确定3 V、pH=3的光电催化方式为最佳反应条件。通过六价铬的加入研究电子转移情况,结果表明,在该反应体系中,Cr(VI)的添加不会改善电子向阴极的转移。通过活性成分研究,表明主要活性成分是O2?-和?OH,以此为基础,探究了g-C3N4/Ag2O/TiO2-NRs电极可能的光电催化降解苯酚的机理。对于三元电极材料,通过改变金属氧化物,采用储量丰富的四氧化三锰(Mn3O4)替代贵金属Ag2O作为电荷传输介质,制备得到g-C3N4/Mn3O4/TiO2-NRs电极。通过SEM和XPS表征,表明Mn3O4成功负载在TiO2-NRs上。通过光电流分析,发现等离子体改性Mn3O4粉末并没有对光电催化性能起到明显的提升作用。以苯酚为目标污染物,考察了不同催化方式、不同复合电极、不同外加偏压、不同溶液初始pH值、不同污染物初始浓度等因素对催化效果的影响。实验表明,g-C3N4改性5 min,Mn3O4未改性的g-C3N4-5/Mn3O4/TiO2-NRs电极在外加偏压为3 V,溶液初始pH=5.85时,经过2 h的光电催化反应,对初始浓度为10 mg/L的苯酚的降解率为70.41%。在此基础上,本文着眼于等离子体技术一步沉积合成氧化铈二氧化钛纳米棒(CeO2/TiO2-NRs)电极。通过XRD和TEM分析,复合材料主要以CeO2(111)晶面形式存在。控制输入电压以及沉积时间对电极材料的光电催化性能有明显影响,其中放电电压为45 V,沉积时间为10 min时,制得的CeO2/TiO2-NRs复合电极光电性能最好,施加偏压0.6 V的紫外-可见光光电流密度相较单一的TiO2-NRs增强了约5倍。以苯酚为目标污染物,考察CeO2/TiO2-NRs电极的催化降解效果。结果表明,外加偏压3 V,溶液初始pH=5.85,苯酚初始浓度为10 mg/L时,经过2 h的光电催化反应,对苯酚的降解率为79.48%。循环实验结果表明CeO2/TiO2-NRs电极具有良好的稳定性。通过对三个材料的改性制备分析,发现等离子体技术能促进光电材料的催化性能,原因在于等离子体技术放电过程中诱导材料表面产生大量含氧活性物质。同时,利用等离子体技术制备复合电极材料,有效缩短了电极的制备流程。本文所得三个电极材料均具有稳定高效的降解性能,为DBD技术在环境以及材料领域的研究提供了一定的理论基础。
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