掺锑、铈SnO2薄膜光阳极的制备及其光电催化降解水中有机物的研究

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金属掺杂的二氧化锡是一种新型的光催化剂,具有很强的氧化能力,在紫外光照射下,能将空气和水中的有机污染物降解为CO2和H2O,已经引起了研究人员的极大关注,但还未见其在光电催化降解水中有机物方面的研究报道。作为半导体催化材料,由于二氧化锡具有较宽的带隙,以及较低的导带位置,在光催化应用中需要通过施加外加电压,将光生电子迁移到对电极上,以减少光生电子-空穴的简单复合,从而使光催化活性得到显著提高。为此,本论文制备了掺锑、铈SnO2薄膜光阳极,充分利用掺杂二氧化锡材料的析氧电位高、导电性强以及稳定性好等特点,对水中有机物进行光电催化氧化降解,研究结果将为该新型光阳极的实际应用提供理论基础。本文以无机金属盐SnCl4·5H2O和SbCl3为原料,采用溶胶-凝胶提拉法制备了掺锑二氧化锡薄膜光电极。对薄膜电极进行了XRD和SEM表征,结果表明薄膜中的SnO2在考察温度范围内都是四方相的金红石结构,并且电极表面有很多高密度龟裂状的碎块结构和很深的纵沟,这些高密度的小碎片结构可以增加电极的比表面积,从而增加活性吸附点,有利于催化反应的进行。同时本文以SnCl4·5H2O和Ce(NO33·6H2O为前驱物,制备了掺铈二氧化锡薄膜光电极,并对该薄膜电极进行了XRD表征,发现掺铈二氧化锡电极同样具有四方金红石结构。且温度变化对晶体结构无明显影响,但对晶粒的大小和光电催化性能均有很大影响。以掺锑二氧化锡电极为工作电极,气体扩散电极为对电极,250W高压汞灯(365nm)为侧光源,苯酚为目标降解有机物,考察了不同制备条件(掺杂量、涂覆层数、焙烧温度等)对掺锑二氧化锡电极光电催化性能的影响。结果表明:掺锑6%(Sb和Sn的原子摩尔比)、涂覆5次、焙烧温度为450℃的掺锑二氧化锡电极具有较佳的光电催化活性。经过3.0h的光电催化反应,苯酚(50mg/L,50mL)的降解率达99.8%,TOC的去除率也能达到80%以上。同时还比较了相同操作条件下直接光氧化、光催化、电催化、光电催化等过程对苯酚降解效果的影响。结果表明,光电催化降解效率明显高于单一的光催化或电催化效率之和。此外还以苯酚和甲基橙为研究对象,考察了溶液的pH值、操作电压、初始浓度等操作条件对光电催化降解效果的影响。以掺铈二氧化锡电极为工作电极,气体扩散电极为对电极,考察了Ce掺杂浓度和焙烧温度对光电催化性能的影响。结果表明:Ce掺杂1%(Ce和Sn的原子摩尔比),焙烧温度为500℃时所制电极具有较好的光电催化活性。在60min内,对苯酚(50mg/L,50mL)溶液的降解率为74.8%,优于掺锑二氧化锡光电极65.1%的降解效果,但该电极的稳定性较差。
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