钛基TiO_2纳米管光电极制备及性能研究

响, 无论紫外区还 是可见光区, 随着氧化时 间的增 加, T iO2 纳米管 的吸 收强 度均 相应提 高。 表 1 为 T iO 2 纳米 管的表 面元素 分析, 随着 氧化 时间的 增
王理明等: 钛基 T iO 2 纳米管光电极制备及 性能研究
加, T i /O 原子比更接近理论上的 1 B2。
T iO2 作为一种重要的无机功能材料, 在环境光 催化领域已受到广泛重视 [ 1-3] 。 1991年, Zw illing等 在含氟电解液中, 采用电化学阳极氧化法在 T i表面 制备了 T iO 2 多孔膜 [ 4] 。 2001 年, G rim es等 [ 5] 首次
报道了以 T i为基体, 利用电化学阳极氧化法在 H F 电解液中制备出均匀有序的 T iO2 纳米管阵列。与
1. 3 光电催化实验 光电催化实验在自制的反应器中进行。以制备
好的 T iO2 纳米管电极为工作电极, 石墨电极为对电 极, 饱和甘汞电极为参比电极 ( SCE ) 组成光电催化 反应体系。光源采用 125 W 主波长为 365 nm 的高 压汞灯。外加偏压由 D JS-292双显恒电位 仪提供。 反应器为石英 玻璃, 有 效容积 300 mL, 磁力搅 拌。 为避免外部光源干扰, 整个反应体系置于反应箱中, 箱体内部贴有铝箔。反应过程中定时取样, 用 UV2450 紫外 -可 见分 光光 度 计 测 定 亚 甲 基蓝 溶 液 的 吸 光度变化, 通过吸光度的变化计算亚甲基蓝的脱色 率。
征 T iO2 纳米管阵列, 考察氧化时间、煅烧温度、电解液组成对 T iO 2 纳米管形貌和尺寸的影响。结 果表明: T iO2 纳米管的形成需要一定的氧化时间, 其光吸收性能随着氧化时间的增加而提高。在
NH4F + H2 SO4 电解液中制备的 T iO2 纳米管管径在 100~ 110 nm 之间, 对紫外-可见光的吸收高于
收稿日期: 2009-10-09 基金项目: 陕西省自然科学研究基金资助项目 ( SJ08B16); 陕西省教育厅 专项基金资助 项目 ( 09JK672); 西安市 科学计划
基金资助项目 ( CXY 09025); 西安理工大学优秀博士学位论 文研究基金资助项目 ( 602- 210804)。 作者简介: 王理明 ( 1979-), 男, 陕西大荔人, 博士研究生, 研究方向为水污染控制。 E-m ai:l lmw ang0101@ gm a i.l com。
姚秉华 ( 1957-), 男, 甘肃景泰人, 教授, 博导, 博士,研究方向为液膜分离及光催化氧化技术。 E-m ai:l bhyao@ xau.t ed0)第 26卷第 2期
简单、条件易控等而被研究者广泛采用。阳极氧化 法制备 T iO2 纳米管虽然工艺简单, 但电解液组成及 电解条件等对其形貌、性能影响较大。本文就 T iO2 纳米管制备条件中氧化时间、电解液成分、热处理温 度等进行较为细致的探讨, 获得最佳 T iO2 纳米管制 备条 件, 并 以亚 甲 基蓝 的 降解 为 反应 模型, 考察 T iO2 纳米管的光电催 化性能, 为制备高 质量、高催 化性能的 T iO 2 纳米管提供参考。
传统纳米 T iO2 粉体和薄膜相比, T iO2 纳米管阵列具 有比表面积大, 量子阱效应高, 纳米管尺寸和形貌结 构可控, 阵列层与基体结合强度高等优点, 且在光电 催化降解有机污染物等方面有广阔的应用前景 [ 6-8] 。 T iO 2 纳米管的制备方法主要有模板法 [ 9] 、水热合成 法 [ 10] 以及阳极氧化法 [ 11, 12 ] , 其中阳极氧化法因操作
关键词: 光电催化; T iO2 纳米管; 阳极氧化; 亚甲基蓝
中图分类号: O646
文献标志码: A
P reparation and Property of T itan ium Based T iO2 N anotube Photoelectrode
WANG L -i m ing1, 2, YAO B ing-hua1, YUE A -i shan3, MA Zhan-y ing1
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会提高 T iO 2 光催化活性, 但由于金红石相的化学活 性低, 其 含量 过 高反 而 会 导 致 T iO 2 光催 化 活 性 下降。
2 结果与讨论
2. 1 氧化时间对 T iO 2 纳米管的影响 在 0. 13 m o l/L NH4 F和 0. 5 m o l/L H 2 C2 O4 的混
合电解液中, 选择氧化电压为 20 V, 氧化时间分别 为 20、60和 120 m in, 进行阳极氧化处理, 对所得试 样再进行 600e 煅烧处理 2 h, 对最终 获得的 T iO 2 纳米管进行 SEM 分析, 如图 1所示。由图可见, 经 氧化 20 m in, 电极表面即生成一层连续的、凹凸不平 的纳米多孔薄膜, 由于氧化时间较短, T iO 2 纳米管 并没有生长完全, 电极表面形成的阻挡层只有部分 被击穿。经氧化 60 m in, 电 极表面出现 T iO2 纳米 管, 管径大约 80~ 100 nm, 管长约 200 nm。经氧化 120 m in, 电极表面 变化不大, 与 60 m in 相比, T iO 2 纳米管更加清晰均匀, 管径在 100 nm 左右, 管长增 至 350 nm, 说明随着氧化时间的延长, 纳米管的长 度在增加, 并自行从无序连续的多孔薄膜向有序独 立的纳米管转化 [ 13] 。
Abstract: T iO2 nanotube pho toe lectrodes are prepared by anod ic ox idat ion in d ifferent electro lytes. SEM、 UV-V IS-DRS and XRD are used to characterize T iO2 nanotube array. E ffect of anod izing tim e、calcination temperature and the e lectrolyte com position to T iO2 nano tube appearance and size is investigated. T he resu lts show tha:t the form ation of T iO2 nano tube can take a certa in period o f ox idation tim e, and that its UV-V is absorption capac ity increases w ith the ox idation tim e. T he T iO2 nanotube prepared in NH 4F + H2 SO4 e lectro ly te has had greater d iam eter ( 100~ 110 nm ) and higher UV-V is abso rpt ion capacity than that in NH 4F + H 2C2O4、HF + H2 SO4 and H F electro lyte. The m ethy lene b lue solution degradated by T iO2 nanotube electrode show s that the deco lo rizat ion rate of photoelectrocata ly tic degradation can reach 80% in 30 m in, wh ich is 1. 3 tim es as h igh as decolorization rate of photocata lyt ic degradation under the sam e cond itions. K ey w ord s: photoe lectrocata lysis; T iO2 nanotube; anod izat ion; m ethy lene b lue
西安理工大学学报 Journal o f X i. an U n ive rsity o f T echno logy( 2010) V o .l 26 N o. 2
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文章编号: 1006-4710( 2010) 02-0165-05
钛基 T iO2 纳米管光电极制备及性能研究
王理明 1, 2, 姚秉华 1, 乐爱山 3, 马占营 1
在 NH4 F+ H2 C2 O4、H F + H 2 SO 4 和 HF 三种电解液体系中氧化的纳米管。相同条件下, 对在 NH 4 F + H 2 SO4 电解液中制备的 T iO2 纳米管光电极进行亚甲基蓝溶液的光电催化实验, 降解 30 m in脱
色率达到 80% , 其催化效果是单纯光催化的 1. 3倍。
( 1. 西安理工大学 水利水电学院, 理学院, 陕西 西安 710048; 2. 西安工程大学 环境与 化学工程学院, 陕西 西安 710048; 3. 陕西省出入境检验检疫局, 陕 西 西安 710068)
摘要: 采用阳极氧化法在不同电解液中制备 T iO2 纳米管光电极, 通过 SEM、UV-V IS-DRS、XRD 表
图 1 不同氧化时间 T iO2 纳米管的 SEM 照片 F ig. 1 SEM m ic rographs of T iO2 nano tubes at d ifferent anod izing tim es
图 2 为 不同 氧化时 间制 备的 T iO 2 纳米 管的 UV-V IS-DRS谱图 ( 制备 条件 同前 )。由 图可 以看 出, 氧化时间对 T iO2 纳米管的光吸收特性有较大影
( 1. Faculty ofW ater R esources andH ydrau lic Pow er, Faculty of Sc iences, X i. an U n iversity of T echno logy, X i. an 710048, China;