[发明专利]导电炭毡负载掺铁介孔氧化钛气体扩散光电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及导电炭毡负载掺铁介孔氧化钛气体扩散光电极及其制备方法，属于功能材料领域。

背景技术

TiO₂因其生物惰性和化学惰性、不会发生光腐蚀和化学腐蚀，价格低廉等优点，而被证明是应用最为广泛的一种光催化剂。由于TiO₂的电子分布特征在于其导带和价带之间有带隙的存在。当受到光照时，只要光子的能量等于或超过半导体的带隙能(hν≥E_g)，就能使电子从价带跃迁到导带，从而产生导带电子和价带空穴。在空间电荷层的电场作用下，导带的自由电子迅速迁移到半导体微粒表面而转移给溶液中的氧化组分，从而光生电子与空穴经过一系列反应形成羟基自由基·OH，它可以氧化几乎所有的有机物。因此，其在环保领域(如废气处理)具有强大的应用前景。反应过程如下：

TiO₂+hν→h⁺+e^-

H₂O+h⁺→·OH+H⁺

e^-+O₂→O₂^-·

H⁺+O₂^-·→HO₂·

2HO₂·→H₂O₂+O₂

H₂O₂+O₂^-·→·OH+OH^-+O₂

h⁺+OH^-→·OH

h⁺+org→中间体→CO₂+H₂O

·OH+org→中间体→CO₂+H₂O

然而，由于TiO₂带隙较宽(约3.2eV)，其吸收的阈值波长小于400nm，对太阳光的利用率不高；影响了TiO₂多相光催化反应的实用化和产业化进程。研究发现，通过过渡金属掺杂或半导体氧化物复合可以提高TiO₂光催化活性和可见光利用率。因此，纳米TiO₂–X(X：过渡金属)掺杂光催化材料也就成为光催化领域的研究热点之一。但是，制备的TiO₂–X纳米粉体、纳米纤维，由于颗粒细微，在水溶液中容易团聚、不易沉降，催化剂难以分离回收，催化剂活性成分损失大，不利于催化剂的再生和再利用；纳米薄膜由于其比表面积比较小，光催化活性和光催化效率不高；多孔材料负载复合体由于在液相中的碰撞磨损，不利于再生和重复使用，气相中使用由于污染物浓度低、光催化活性和光催化效率也不高，影响和限制了其实际应用。为此，近年来以光催化材料为电极表层，采用光电催化有效抑制光生电子一空穴的复合，提高光催化量子效率，也解决了分离回收难题，即光电催化TiO₂–X电极的制备和性能研究受到了人们的高度重视，成为光催化领域的重要前沿课题。但值得关注的是，大量的工作还主要集中在采用无孔导电基体负载TiO₂电极(薄膜或管)，及液相条件下二电极或三电极模式的光电复合催化方面。我们知道，无孔导电基体负载TiO₂电极由于其比表面积比较小，光电催化活性也不高，也影响和制约了其工业生产和实际应用。因此，采用多孔导电基体负载电极在光电催化领域倍受关注。炭毡是由炭纤维组成的毡状炭质材料，具有化学性能稳定、价格低廉、比表面积大、导电性强等特性，在电化学研究中成为一种理想的多孔电极材料。因此，在导电炭毡表面制备掺杂介孔TiO₂电极是解决光催化技术应用于污水降解处理最为有效的方法。利用介孔(TiO₂-Fe)_mp./CF电极具有的纳米微孔特性、高比表面积特性、协同催化特性，结合该掺杂体系的异质界面效应、以及低维纳米材料的量子尺寸效应、量子限域效应，负载结构，获得高效气体扩散光电极(TiO₂-Fe)_mp./CF材料。同时，该工艺简单，易于工业化生产。

发明内容