太陽能光電催化降解有機污染物耦合制氫

太陽能光電催化降解有機污染物耦合制氫第一頁，共二十一頁，2022年，8月28日選題背景；研究現(xiàn)狀；研究內(nèi)容和方法；技術(shù)路線；創(chuàng)新點與關(guān)鍵問題；可行性分析；課題研究進度安排；參考文獻；第二頁，共二十一頁，2022年，8月28日1選題背景

太陽能光解水制氫是利用太陽光的能量,在催化劑的作用下分解水產(chǎn)生氫氣，氫作為能源使用后又回到水的形態(tài),達到完全的可持續(xù)開發(fā)和利用。同時，氫是一種具有高燃燒值、高效率和清潔的能源。氫作為清潔能源有效使用后又回到水的形態(tài)，達到完全的可持續(xù)開發(fā)利用的目的。因此，利用太陽能和電能共同作用廢水制氫，是21世紀人類從根本上解決能源問題的有效途徑。許多有機物是很好的電子給體,能顯著提高光催化分解水放氫的效率。如果利用廢水中的有機污染物可以作為電子給體進行光催化分解水制氫,則有機廢物被氧化降解的同時水被還原產(chǎn)生氫,既節(jié)省制氫成本,又去除污染。但由于直接光催化分解廢水制氫的效率比較低，大大限制了其實際應(yīng)用。大多數(shù)的光催化劑需要加入電子供體來抑制光生電子和空穴的復(fù)合以及氫和氧的逆反應(yīng),從而獲得產(chǎn)氫。電子供體的加入還可以促進催化劑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定而不易失活。第三頁，共二十一頁，2022年，8月28日選題背景為了解決能源問題和環(huán)境問題更好地充分利用太陽能，提高光催化分解水的效率探索高效、廉價的廢水資源化處理的綠色處理技術(shù)探索合成高效、穩(wěn)定的復(fù)合二氧化鈦納米管技術(shù)第四頁，共二十一頁，2022年，8月28日同時，目前國內(nèi)外所采用污水生化處理技術(shù)對一些難降解的有機污染物仍然達不到徹底降解的目的。而利用太陽能光電催化降解廢水中的有機污染物，不但可以使廢水中的各種有機污染物徹底降解為H2O和CO2，同時也能夠產(chǎn)生H2，高效地實現(xiàn)了從太陽能到氫能的轉(zhuǎn)變。因此，把利用太陽能來探求一種高效、廉價的污水處理資源化綠色技術(shù)已成為當(dāng)今水處理領(lǐng)域研究的熱點。本課題研究制備二氧化鈦納米管，并將其進行修飾改性，合成高效穩(wěn)定的納米復(fù)合材料。這種材料能夠充分利用太陽光中的紫外光和可見光，同時也能夠最大限度地吸附有機污染物，為實現(xiàn)有效降解有機污染物同時大量產(chǎn)氫奠定堅實的基礎(chǔ)。第五頁，共二十一頁，2022年，8月28日尋找高效，廉價的廢水處理資源化技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今水處理領(lǐng)域的一個熱點，也是將來水處理領(lǐng)域的一個主要發(fā)展方向。本課題針對有機廢水未能有效資源化治理和充分利用太陽能，探索以太陽能為驅(qū)動力的新型TiO2

納米管材料光電催化降解有機污染物同時產(chǎn)氫的新方法，闡明產(chǎn)氫去污的耦合機制和典型污染物降解機理。這對于緩解水環(huán)境污染和能源短缺問題，促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展，具有重要的研究價值和現(xiàn)實意義。第六頁，共二十一頁，2022年，8月28日2研究現(xiàn)狀

光電催化的基本原理和特點納米TiO2顆粒有良好的量子效應(yīng)，其禁帶寬度(Eg)為3.2eV，波長小于387nm的紫外光照射后，價帶(VB)的電子吸收光子的能量被激發(fā)到導(dǎo)帶(CB)。在導(dǎo)帶、價帶分別產(chǎn)生光生電子和空穴，這些載流子易復(fù)合而釋放光或熱，沒有復(fù)合的光生電子和空穴使TiO2表現(xiàn)出光催化性能。Ti02+hve—+h+(l一l)e—+h+

光或熱(l一2)第七頁，共二十一頁，2022年，8月28日光生空穴因具有極強的得電子能力，因而具有很強的氧化能力，可奪取半導(dǎo)體表面吸附的有機物溶劑中的電子，使原本不吸收光的物質(zhì)被活化、氧化。光生電子則具有很強的還原能力，可將半導(dǎo)體表面吸附的電子受體還原。光生空穴h+可以直接將吸附的分子氧化，也可以先將吸附在TiO2表面的OH一和H2O分子氧化成氧化能力更強的輕基自由基心H，而.OH自由基再進一步將吸附的分子氧化，而二者也可同時起作用。介質(zhì)中吸附在催化劑表面的污染物分子遇到光生空穴或氧化性很強的.OH，就被氧化而發(fā)生光降解；光催化產(chǎn)氫則是吸附在催化劑表面的H+被遷移到催化劑表面的光生電子還原成H2。這樣可以同時起到降解污染物和產(chǎn)氫的雙重目的。H20+h+H++.OH(1-3)OH一+h+.OH(1-4)第八頁，共二十一頁，2022年，8月28日2.2光電催化過程的影響因素

外加電壓外加陽極偏壓能提高TiO2/Ti薄膜電極的光催化活性,外加陽極偏壓能使TiO2的能帶彎曲增大,減少了電子與空穴的簡單復(fù)合,促進了光生載流子的分離,增加了空穴和羥基自由基的數(shù)量,所以，隨陽極偏壓的逐漸增大,光電流和光催化降解速率不斷增大。pH的影響一般認為，改變pH值將改變?nèi)芤褐卸趸伣缑骐姾尚再|(zhì)，進而影響電解質(zhì)在二氧化鈦表面上的吸附行為。有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在不同的pH值條件下，二氧化鈦電極有不同的伏安特性。溶液的初始pH值不但決定了催化劑性質(zhì)和伏安特性外還導(dǎo)致不同的光電催化降解機理。第九頁，共二十一頁，2022年，8月28日光陽極光強和反應(yīng)物濃度的影響光源波長、光強及光源幾何位置對光電反應(yīng)器氧化效率有至關(guān)重要的影響。材質(zhì)要保證光電催化氧化反應(yīng)的順利進行，光電反應(yīng)器的材質(zhì)必須透光性能好，尤其是對催化反應(yīng)所需波長范圍的光。大多情況下人們選用石英玻璃，因為石英玻璃是高純單組分玻璃，具有優(yōu)良的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，而且石英玻璃在紫外到紅外整個光譜波段都有優(yōu)良的透光性能。第十頁，共二十一頁，2022年，8月28日2.3光電催化反應(yīng)器研究

新型高效光催化反應(yīng)器的設(shè)計在提高光子、光催化劑、犧牲劑的有效結(jié)合方面起著至關(guān)重要的作用。因此，必須設(shè)計和加工新型光催化反應(yīng)器,強化固、液、氣三相傳質(zhì)，高效穩(wěn)定且經(jīng)濟適用的光電催化反應(yīng)器，決定著光電催化技術(shù)在污水處理資源化中的實際應(yīng)用。第十一頁，共二十一頁，2022年，8月28日2.3光電催化技術(shù)的發(fā)展情況

光催化技術(shù)在污水處理方面的實際應(yīng)用還存在一些不足的方面。第一，量子效率低，單存二氧化鈦光催化劑的光生電子-空穴對的再復(fù)合率高，光催化性能不突出。較低的光量子效率很大程度上限制了光催化技術(shù)在廢水處理領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用。第二，純二氧化鈦的光譜響應(yīng)范圍窄，只能利用占太陽涉頻范圍4%的紫外光部分，對太陽能的有效利用率低。第三，光催化技術(shù)在污水處理中降解有機污染物而產(chǎn)生的中間產(chǎn)物的復(fù)雜性在一定程度上限制了光催化技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。第十二頁，共二十一頁，2022年，8月28日光催化劑的改性Ti02納米管的制備TiO2納米管的非金屬摻雜第十三頁，共二十一頁，2022年，8月28日2.4存在問題目前光催化劑的制備方法嚴重制約了光催化劑的性能和應(yīng)用，研制出物理化學(xué)性能好，光電催化活性和光電轉(zhuǎn)換效率高的光催化劑及其制備方法，既能有效地降解廢水中的有機污染物，又可以高效產(chǎn)氫，需要重點研究。光電催化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和運行條件可以大大提高其降解有機污染物的效率和產(chǎn)氫量。優(yōu)化光電催化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和運行條件，這樣可以提高反應(yīng)器的工作效率，值得深入研究。由于該方法在進行廢水處理的同時又能產(chǎn)生氫能，因此利用太陽能光電催化降解廢水中的有機污染物耦合制氫的機制需要深入研究，以便于為該技術(shù)的實際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。第十四頁，共二十一頁，2022年，8月28日3研究內(nèi)容和方法

3.1主要研究內(nèi)容包括以下三方面：TiO2納米管的制備和表征非金屬摻雜二氧化鈦納米管的方法太陽能光電催化降解有機污染物和同時產(chǎn)氫的性能光電催化降解廢水中有機污染物耦合制氫的機理和動力學(xué)研究第十五頁，共二十一頁，2022年，8月28日3.2研究方法：

非金屬摻雜TiO2納米管的制備和表征非金屬摻雜TiO2納米管的太陽能產(chǎn)氫性能和可見光光電催化降解有機污染物性能研究同時產(chǎn)氫去污的耦合機制和典型污染物可見光光電催化機理、動力學(xué)研究第十六頁，共二十一頁，2022年，8月28日4技術(shù)路線

二氧化鈦納米管制備方法的選擇二氧化鈦納米管制備時的條件選擇非金屬元素及其相應(yīng)特征電解質(zhì)的選配二氧化鈦納米管材料的制備、表征、性能比較選定最優(yōu)產(chǎn)物二氧化鈦納米管結(jié)構(gòu)及其組分分析制備條件的優(yōu)化二氧化鈦納米管太陽能產(chǎn)氫和去除污染物的研究最佳反應(yīng)條件的確定各種因素對去除效果的影響建立制備條件與產(chǎn)氫性能、光電催化性能的作用規(guī)律探尋產(chǎn)氫去污耦合作用的條件及機理建立典型有機污染物可見光光電催化降解的動力學(xué)模型第十七頁，共二十一頁，2022年，8月28日5創(chuàng)新點與關(guān)鍵問題

本課題主要是為了更好地利用二氧化鈦光催化劑材料，以太陽能和電能作為能量來源最大限度地降解廢水中的有機污染物同時產(chǎn)氫。由于純二氧化鈦材料利用太陽能的效率較低，因此需要對二氧化鈦材料進行重組和改性，主要是在一定得條件下通過非金屬摻雜制備二氧化鈦納米管陣列，使其表面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生變化，進而最大限度地利用太陽能，更好地發(fā)揮其作用。利用太陽能光電催化降解難降解的有機污染物同時產(chǎn)氫是一項很有發(fā)展和應(yīng)用前景的污水處理資源化綠色技術(shù)。本課題需要解決的關(guān)鍵問題主要有以下三個方面：1）優(yōu)化非金屬摻雜TiO2納米管制備條件，以實現(xiàn)最佳光電轉(zhuǎn)化效率，并建立其與產(chǎn)氫性能、污染物光電催化性能之間的關(guān)系。2）探索利用太陽能光電催化降解廢水中的有機污染物耦合制氫的機制。3）優(yōu)化光電催化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，探索反應(yīng)器運行的最佳工藝條件，掌握光電催化反應(yīng)器運行的動力學(xué)參數(shù)。第十八頁，共二十一頁，2022年，8月28日6可行性分析

在利用陽極氧化法非金屬摻雜TiO2納米管制備的過程中實現(xiàn)了其晶型結(jié)構(gòu)和表面特性的優(yōu)化，為其更好地發(fā)揮光催化劑的性能奠定了良好的基礎(chǔ)。制備好的TiO2納米管由于其具有的特殊的外表面結(jié)構(gòu)能夠更好地利用太陽光。利用非金屬摻雜能夠改變TiO2的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)對太陽光中的可見光具有較強的吸收能力。同時在光催化體系中外加電流的作用下，可以使得光生電子迅速流動，產(chǎn)生電子流，避免了電子和空穴的復(fù)合。這樣，就可以在光催化劑中維持較高的空穴濃度，使得光催化劑具有較高的光催化活性，進而可以提高光催化效率。光催化反應(yīng)器的合理設(shè)計也會大大促進光催化劑對太陽光的有效利用，提高光催化產(chǎn)氫