量子点修饰TiO2纳米管阵列光电极制备及其可见光下催化性能与机理研究

通过光电极材料表征和电化学性能测试手段、及有机物光电催化降解实验，研究采用量子点修饰的TiO2纳米管的光电极制备过程中工艺参数对光电极晶体结构、表面性质、电化学性能、光电催化性能影响，优化光电极表面成膜条件；研究通过向光电极表面氧化膜层中注入Ce、Si、B和S等元素量子点修饰、以及石墨烯修饰对提高可见光下电极性能的影响；研究TiO2/Ti纳米管阵列掺杂后带隙、能带位置和电荷密度分布变化对TiO2/Ti纳米管阵列光电催化性能影响；研究水中难降解有机污染物在该体系中催化降解的机理及动力学规律。本项目核心是提出采用量子点修饰制备半导体TiO2/Ti纳米管阵列光电极，通过光电极表面膜层的功能设计，研制出具有高催化活性、高稳定性的三维丝网纳米管半导体光电极，以解决光催化剂在可见光下量子化效率与催化效率低的难题。本成果不仅对材料科学、纳米科学具有重要的理论意义，而且在水处理领域具有重要的应用价值。

直接利用太阳能为光源的TiO2光催化技术被认为是二十一世纪最具应用前景的环境治理技术，它既解决了能源危机的困扰，也满足了污染防治的迫切需求。与薄膜电极相比，阳极氧化法制备的TiO2纳米管（TiO2 NTs）因具有较高的表面与体积比及独特的尺寸效应和良好的光吸收性能引起人们的关注，在太阳能转换、光解水制氢和污染物去除等领域有着广阔的应用前景。本项目的创新性研究成果主要体现在以下几个方面：.（1）利用两步电化学沉积工艺构建了贵金属钯纳米晶与还原氧化石墨烯修饰的TiO2 NTs光电极，探讨了其光电催化活性提高机制与不同物种对光催化效率的贡献。.（2）采用蒸发诱导自助装策略构筑了N, S-TiO2纳米粒子修饰的TiO2 NTs光电极，揭示了材料微观结构—表面组成—载流子动力学行为—光电化学性能之间的内在关联，并深入了探讨光电极的光催化活性提高机制。.（3）考察了改性TiO2 NTs光电极对水中环境药物双氯酚酸的光电催化降解性能，解析了改性TiO2 NTs光电极光催化活性提高的原理，探讨了其降解效能与动力学特性。.（4）采用阳极氧化法制备了固定化的纳米结构的TiO2 NBs，优化了其电解液成分、氧化电压、氧化时间、煅烧温度等制备参数，阐明了其生长机理，并应用于光催化降解去除环境中有机污染物，揭示了其光催化性能提升机理。.（5）采用电化学沉积的方法对TiO2 NBs进行了Au-Pd双金属共负载，探讨了最优负载参数，通过构建不规则的Au-Pd核壳结构，促进了光生载流子的转移，提高了光催化剂的稳定性。.（6）采用连续离子层吸附反应的方法构建了CdS-CuS核壳结构修饰的TiO2 NBs光催化剂，通过构造梯度带隙结构促进了光生载流子的转移，提高了对太阳能的利用，并促进了复合光催化剂的稳定性。.（7）采用CdS-CuS核壳结构修饰的TiO2 NBs光催化剂降解去除水体中的新兴有机污染物四溴双酚A和左氧氟沙星，取得了良好的去除效果，研究了有机污染物的降解机理及中间产物，揭示了干扰离子、pH等因素对降解的影响机制。