学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

提高赤铁矿光电化学氧化水性能的研究

作　者: 上官鹏鹏
导　师: 童少平
学　校: 浙江工业大学
专　业: 应用化学
关键词: 赤铁矿 Ti掺杂α-Fe2O3 电化学还原 电沉积 光电化学氧化水 太阳能产氢
分类号: TQ116.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 68次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载
 

内容摘要


21世纪,能源短缺是人类面临的一大难题.为此,人们开始把目光从石油和煤炭等不可再生能源转向清洁、高效、可再生的新能源.太阳能具有取之不尽、无污染和可再生等优点,在未来的新能源开发中必将占据重要的地位.氢能具有高燃烧值、燃烧产物无污染等优点.因此,利用太阳能光催化分解水制氢成为未来替代石油的新能源,成为当今研究热点.赤铁矿(a-Fe2O3)是一种n型半导体,禁带宽度只有2.2eV,可以吸收太阳光谱中40%的可见光；同时,其价格低廉、无毒,是一种理想的光催化分解水产氢材料.然而,它也存在以直缺点：(1)光生载流子复合严重；(2)空穴界面转移速率慢；(3)导电性差；(4)存在光腐蚀现象.目前报道的α-Fe2O3光催化分解水产氢效率还远低于其理论最大值(12.9%).为此,人们采用多种方法来提高其光电催化分解水产氢效率,但离实际应用还有不小的差距,而且方法比较复杂、成本较贵.本论文针对α-Fe2O3上述缺点,主要采用简单的电化学还原和电沉积等方法对其进行改性,以期提高光电化学氧化水性能或光电化学产氢效率.论文分四部分：第一部分,采用溶胶-凝胶法在导电玻璃(ITO)表面上制备了未掺杂和Ti掺杂α-Fe2O3薄膜电极,优化了制备工艺条件对材料光电化学性能的影响,验证了掺Ti可大幅度地提高α-Fe2O3光电化学氧化水性能;在此基础上,研究了染料敏化、表面氟化、Co3+浸渍处理和Al3+掺杂等方法对掺Ti a-Fe2O3薄膜电极光电化学氧化水性能的影响,发现染料敏化和表面氟化不能提高电极的光电化学性能,Co3+浸渍和Al3+掺杂可明显提高电极的性能,并具有良好的光电化学稳定性.第二部分,采用电化学还原方法对未掺杂和Ti掺杂α-Fe2O3簿膜电极在-1.2-0.6V(相对于饱和甘汞电极)电位范围内,于1M NaOH电解质中进行预处理.发现它可显著提高薄膜电极的光电化学氧化水性能,并具有良好的光电化学稳定性.与α-Fe2O3相比,电化学还原处理对Ti-Fe2O3的光电化学氧化水性能提高更加为明显.同时,采用扫描电镜、能量损失谱、光电子能谱、紫外-可见漫反射光谱、电化学阻抗谱以及Mott-Schottky等多种方法对电极性能提高机理进行了深入的研究.发现性能提高的主要原因是电化学还原处理导致光生载流子在薄膜电极/液界面转移速率加快和表面复合速率降低.物理上,因为部分的Fe2O3转化为Fe3O4或FeOOH,它们可做为催化剂促进了光电化学氧化水反应.该方法简单经济,可控性好,这为提高α-Fe2O3电极光电催化分解水活性提供了一种新的方法.第三部分,通过在掺钛氧化铁电极的表面电沉积In3+对制备的Ti-Fe2O3电极进行表面处理,其光电转化效率有了1-2倍的提高.采用浸泡煅烧的方法发现经过In(NO3)3水溶液浸泡过的Ti-Fe2O3电极光电流增加了1-2倍,其光电转化效果与电沉积后光催化效果相当,相比较而言,电沉积法所需的时间更短,药品的用量更少,试验步骤简单,费用也更低一点.通过一系列的表征证明电还原法提高掺钛氧化铁电极的光催化活性不是由于吸光系数造成的,而是由于经过电沉积后,其比表面积增加,光生载流子复合速率降低造成.第四部分,应用电化学阻抗谱研究了外加电位对未掺杂和Ti掺杂α-Fe2O3两种电极光电化学氧化水时界面电荷转移速率常数的影响.结果表明：随着外加阳极电位增大,两种电极的界面电荷转移速率常数均增大,但速率常数增幅比理论预期要小,表明电位并不是全部降落在电极的亥姆霍兹层,而是同时降落在空间电荷层和亥姆霍兹层(费米能级钉扎).光生电荷可在表面态中积累并导致电位在电极界面重新分布,并提高了界面电荷转移速率常数.与α-Fe2O3相比,外加阳极电位对Ti-Fe2O3的界面转移速率常数提高更为明显.

全文目录


摘要  7-9
Abstract  9-12
第一章 文献综述  12-31
  1. 前言  12-14
  2. 光催化基本原理及光催化活性的影响因素  14-19
    2.1 光化学反应定律  14
    2.2 光催化基本原理  14-15
    2.3 光催化活性的影响因素  15-17
      2.3.1 催化剂的晶型  15-16
      2.3.2 催化剂的表面性质  16
      2.3.3 温度与pH  16
      2.3.4 催化剂的表面形态  16-17
      2.3.5 光照强度的影响  17
      2.3.6 催化剂量的影响  17
    2.4 光催化技术的特点及目前存在的主要问题  17-19
  3. 氧化铁的性质  19-20
    3.1 α-Fe_20_3的晶体结构  19-20
    3.2 α-Fe_2O_3的光电催化性能  20
  4. A-FE_2O_3的制备方法  20-23
    4.1 化学气相沉积(CVD)  20-21
    4.2 热分解法  21
    4.3 水热法  21
    4.4 电化学沉积  21-22
    4.5 喷雾热解法(SP)与超声喷雾热解(USP)  22-23
    4.6 溶胶凝胶法  23
    4.7 电磁管溅射法  23
  5. 提高Δ-FE_2O_3光电化学性能的方法  23-29
    5.1 贵金属沉积  24-25
    5.2 复合半导体  25-26
    5.3 离子掺杂  26-28
    5.4 染料光敏化  28
    5.5 表面氟化  28-29
  6. 论文选题目的、意义及主要研究内容  29-31
    6.1 目的和意义  29-30
    6.2 研究内容  30-31
第二章 研究方法  31-37
  1 化学试剂和仪器  31-33
    1.1 化学试剂  31-32
    1.2 仪器  32-33
  2 测试方法  33-35
    2.1 样品表征  33-34
      2.1.1 XRD测试  33
      2.1.2 扫描电镜(SEM)测试  33
      2.1.3 XPS测试  33
      2.1.4 光致发光(PL)光谱  33-34
      2.1.5 拉曼(Raman)光谱  34
      2.1.6 紫外可见(UV-Vis)吸收光谱和漫反射光谱  34
      2.1.7 表征  34
    2.2 电化学测试方法  34-35
      2.2.1 线性扫描伏安法  34-35
      2.2.2 计时电流法  35
  3 电极的制备  35-37
    3.1 胶体的配制  35-36
    3.2 ITO导电玻璃的处理方法  36
    3.3 制备薄膜氧化铁电极  36-37
第三章 氧化铁薄膜光电极的制备及改性探索  37-54
  1 前言  37-38
  2 实验方法  38-39
    2.1 α-Fe_2O_3和Ti-Fe_2O_3薄膜光电极的制备和表征  38
    2.2 (光)电化学测试  38-39
  3 结果与讨论  39-53
    3.1 Ti掺杂对光电化学性能的影响  39-53
  4 结论  53-54
第四章 电化学还原提高氧化铁和掺钛氧化铁光电化学氧化水性能  54-64
  1 前言  54
  2 实验方法  54-55
    2.1 未掺杂α-Fe_20_3和Ti-Fe_2O_3的制备与表征  54
    2.2 薄膜电极的电化学还原预处理  54-55
    2.3 (光)电化学测试  55
  3 实验结果与讨论  55-63
  4 小结  63-64
第五章 电沉积IN提高钛掺杂氧化铁光电化学氧化水性能  64-78
  1 前言  64-65
  2 实验方法  65-66
    2.1 Ti-Fe_2O_3电极的制备  65
    2.2 Ti-Fe_2O_3电极表面电沉积铟  65
    2.3 光电化学和电化学测试  65-66
    2.4 表征  66
  3 实验结果  66-77
    3.1 沉积电位对Ti-Fe_2O_3光电化学性能的影响  66-73
    3.2 材料表征  73-77
      3.2.1 吸收光谱  73
      3.2.2 荧光光谱  73-74
      3.2.3 Raman光谱  74-75
      3.2.4 SEM图  75-76
      3.2.5 EDAX能谱图  76
      3.2.6 XPS能谱  76-77
  4 小结  77-78
第六章 电位对氧化铁和掺钛氧化铁光氧化水电荷转移速率常数的影响  78-87
  1 前言  78
  2 理论背景  78-80
  3 实验方法  80-81
    3.1 光电极的制备与表征  80-81
    3.2 (光)电化学测试  81
  4 结果与讨论  81-86
    4.1 沉积电位对Ti-Fe_2O_3光电化学性能的影响  81-86
  5 小结  86-87
第七章 总结与展望  87-89
  1. 总结  87-88
  2 论文创新点  88
  3 展望  88-89
参考文献  89-102
附录：接受或发表的论文  102-103
致谢  103

相似论文

  1. Reline室温离子液体中锌钴和锌镍合金的电沉积研究,TQ153.1
  2. 电沉积法制备电极及降解苯酚废水性能研究,X703
  3. 碳负载碳化钨复合材料的制备及其电化学性能的研究,O614.613
  4. 基于表面修饰和组装的硫化镉纳米薄膜电化学发光免疫传感器,TP212.2
  5. 铂基复合催化剂的合成及其对甲醇电催化氧化性能的研究,TM911.4
  6. 亚甲基二膦酸为配位体的碱性镀铜研究,TQ153.14
  7. 辽宁野猪沟鲕状赤铁矿技术研究,TD951
  8. 磁—浮联合流程处理细粒级鞍山式贫赤铁矿矿石的试验研究,TD951
  9. 梅山铁矿石中伴生矿物浮选分离特性研究,TD951
  10. 永磁高梯度磁选机的研制,TD457
  11. K2TiF6/TiO2在氟化物体系中电化学还原过程的研究,O611.3
  12. 微波场对高磷铁矿含碳球团还原的影响研究,TF55
  13. 锌电积用电催化节能阳极的复合电沉积制备及性能表征,TF813
  14. 以Fe（Ⅲ）—草酸—葡萄糖酸钙为媒质的间接电化学还原染色工艺研究,TS193.633
  15. 电沉积ZnO膜电极光电催化降解含氮有机污染物研究,X703
  16. 电化学法处理农药中间体（间苯二甲腈）废水的研究,X786
  17. 从酸性氯化铜蚀刻废液中隔膜电沉积金属铜板的理论及工艺研究,X703
  18. 离子液体低温电解镁的研究,TF822
  19. 鄂西高磷赤铁矿提铁降磷工艺性能研究,TD951
  20. 电积法制备泡沫铅研究,TQ153.1
  21. DNA的荧光测定及碱基的电化学行为,Q523

中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 基本无机化学工业 > 工业气体 > 氢气
© 2012 www.xueweilunwen.com