[发明专利]利用玻璃基TiO2纳米管阵列电极光电催化降解有机物的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用玻璃基TiO₂纳米管阵列电极光电催化降解有机物的方法，属于环境污染治理技术领域。

背景技术

纳米TiO₂作为一种优良的光催化剂已广泛应用于催化降解环境中的有机污染物。2001年，美国科学家Grimes等人利用金属钛阳极氧化的方法在氢氟酸水溶液介质中制备出TiO₂纳米管阵列薄膜(Gong D W et al J.Mater.Res.(2001)16：3331-3334)。在这种钛基TiO₂纳米管阵列薄膜材料中，光催化剂TiO₂纳米管垂直、整齐有序地排列在金属钛基体上，有利于光生电荷的分离与传输，作为电极材料，能表现出极高的光电催化氧化有机物的性能。此后，人们对这种钛基TiO₂纳米管阵列薄膜材料的制备方法进行了大量的研究，如通过在电解质中使用有机电解质，可以提高纳米管的长度从几微米甚至几百微米长的纳米管阵列薄膜。然而，在光电催化氧化有机污染物性能效果方面，随着TiO₂纳米管管长的增加并没有带来催化性能的提高，反而引起了纳米管电极稳定性的下降。钛基TiO₂纳米管阵列薄膜材料的结构缺陷影响了其光电催化性能。在钛基TiO₂纳米管阵列薄膜结构中，TiO₂纳米管直接结合在金属钛基体表面上，这种结合是半导体与金属两种不同材料的结合，当纳米管受到机械外力作用时，就会发生纳米管与基体间的开裂或断裂，甚至造成纳米管阵列薄膜与基底的剥离，这些变化无疑会严重影响钛基TiO₂纳米管阵列材料的稳定性、影响了其光生电荷的分离效率与传递速率，进而影响了TiO₂纳米管阵列电极的光电催化、光电催化降解有机污染物的性能。另一方面，钛基TiO₂纳米管阵列薄膜不透光，只能单面光照进行光催化或光电催化反应，也会影响其光量子效率，并限制了其应用范围。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种利用玻璃基TiO₂纳米管阵列电极光电催化降解有机物的方法，以提高电极的稳定性和光电催化降解有机污染物的活性。

为实现这一目的，本发明首先在导电玻璃表面溅射一层金属钛的薄膜，然后将导电玻璃基钛薄膜作为阳极，置于含氟离子的电解质溶液中，以铂电极为对电极，进行阳极氧化，再将阳极氧化后得到的透明玻璃基TiO₂纳米管阵列薄膜样品经高温烧结，获得机械稳定性高、光电催化性能高的玻璃基TiO₂纳米管阵列电极，用于光电催化降解有机污染物。

本发明利用玻璃基TiO₂纳米管阵列电极光电催化降解有机物的方法具体包括如下步骤：

1、将洗净的导电玻璃，加热去除其表面的水分子，冷却后，通过磁控溅射仪，在氩气保护气体氛围下，在导电玻璃表面溅射一层金属钛的薄膜，获得导电玻璃基钛薄膜电极。

2、将导电玻璃基钛薄膜电极作为阳极，置于含氟离子的电解质溶液中，以铂电极为对电极，进行阳极氧化，阳极氧化电压控制在15-60V，阳极氧化时间为30min～24h。阳极氧化完成后，得到透明的玻璃基TiO₂纳米管阵列薄膜样品。

3、将玻璃基TiO₂纳米管阵列薄膜样品用水冲洗后置于烘箱中干燥，待冷却至室温后，高温烧结，即可得到透明的玻璃基TiO₂纳米管阵列电极。

4、以烧结后透明的玻璃基TiO₂纳米管阵列电极为工作电极，以Ag-AgCl为参比电极，以Pt为对电极，在有机污染物溶液中加入摩尔浓度为0.01-1M的硫酸钠溶液作为电解质，并施加偏电压0.4-1.2V，打开光源，对有机污染物溶液进行光电催化降解反应。

本发明中，所述在导电玻璃表面溅射一层金属钛的薄膜，金属钛的薄膜的厚度为1-3μm。

本发明所述的含氟离子的电解质溶液可以是含氟离子的水溶液，也可以是含氟离子的乙二醇溶液或者含氟离子的二甲基亚砜溶液。电解质溶液中，氟离子的质量百分数为0.1～0.3％，构成氟离子的化合物可以是氢氟酸或氟化铵。

本发明所述的玻璃基TiO₂纳米管阵列薄膜样品烧结时，其烧结温度为400～600℃，烧结时间为1-6小时，烧结气氛可以是空气气氛也可以是氧气气氛。