二氧化鈦復(fù)合薄膜的制備及其光催化降解有機(jī)污染物.pdf

1、二氧化鈦是一種催化活性高、無(wú)毒無(wú)污染、價(jià)格低廉、性質(zhì)穩(wěn)定的n型半導(dǎo)體光催化劑，然而，TiO2存在兩大方面的缺陷:一是TiO2的禁帶寬度比較大，帶隙能為3.2eV，也就是說(shuō)二氧化鈦只有在受到波長(zhǎng)小于387.5nm的紫外燈照射時(shí)才會(huì)激發(fā)產(chǎn)生光生電子和空穴，但是紫外光在太陽(yáng)光中所占的比例還不足5％，這使二氧化鈦在日常應(yīng)用中對(duì)太陽(yáng)光的利用率極低;二是光生電子和空穴很不穩(wěn)定且非常容易發(fā)生復(fù)合，這嚴(yán)重降低了二氧化鈦的光催化性能。從而，減小帶隙能和降

2、低電子空穴對(duì)的復(fù)合率成為了拓寬TiO2的應(yīng)用領(lǐng)域及改善其光催化活性的重要突破口。
　　為了實(shí)現(xiàn)上述突破，必然要對(duì)TiO2進(jìn)行改性研究。迄今為止，研究者已經(jīng)研制出許多應(yīng)用于TiO2改性的方法，其中離子摻雜和半導(dǎo)體復(fù)合是我們?cè)诒狙芯恐兴捎玫膬煞N改性方法，改性處理不僅將TiO2的光響應(yīng)范圍拓寬到可見(jiàn)光區(qū)域，而且大大降低了光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合率。
　　本論文主要研究了以下幾個(gè)方面:
　　(1)TiO2薄膜及TiO2-ZnO

3、復(fù)合薄膜的制備及性能測(cè)試
　　該實(shí)驗(yàn)選用鈦酸四正丁酯和二水合醋酸鋅分別作為鈦源和鋅源，采用溶膠-凝膠法制備出TiO2膠體和ZnO膠體，將陳化好的膠體按一定體積混合攪拌得到TiO2-ZnO復(fù)合膠體，采用浸漬提拉法在潔凈干燥的玻璃基體上拉制薄膜，待薄膜干燥后，采用外摻雜的方法在其表面摻雜離子Ce、F、Ca、Fe、La，待離子溶液自然風(fēng)干后，將薄膜置于馬弗爐中進(jìn)行高溫焙燒，通過(guò)對(duì)甲醛的降解性能測(cè)試來(lái)確定離子的最佳單雙摻濃度。薄膜對(duì)有機(jī)污

4、染物降解的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了離子摻雜復(fù)合改性之后的TiO2薄膜光催化活性得到了顯著的提高。
　　(2)TiO2及TiO2-ZnO光催化劑的表征
　　本研究通過(guò)使用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV-vis)、熒光光譜(PL)儀、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)、差熱-熱重分析儀(DTA-TG)、X射線衍射儀(XRD)及氮?dú)馕?脫附儀(BET)，對(duì)薄膜和粉體進(jìn)行了一系列的光學(xué)性能及結(jié)構(gòu)表征。紅移及熒光光譜分析結(jié)果表明了:離子摻雜和復(fù)合改性

5、不僅誘發(fā)了薄膜較強(qiáng)的可見(jiàn)光吸收，而且降低了電子-空穴對(duì)的復(fù)合率;DTA-TG及XRD結(jié)果顯示了改性后的催化劑晶型主要維持在光催化性能最好的銳鈦礦;FE-SEM及BET測(cè)試揭示了復(fù)合改性的薄膜是由較小的納米粒子構(gòu)成的，同時(shí)具有較大的比表面積。
　　(3)光催化機(jī)理的探討
　　首先，ZnO與TiO2復(fù)合后會(huì)形成交錯(cuò)能級(jí)，經(jīng)光照射時(shí)，ZnO導(dǎo)帶上的電子會(huì)很容易地被激發(fā)到TiO2的導(dǎo)帶上，相反，TiO2價(jià)帶上產(chǎn)生的空穴會(huì)轉(zhuǎn)移到ZnO

6、的價(jià)帶上，因此ZnO復(fù)合后大大降低了TiO2的帶隙能及電子-空穴的復(fù)合率。其次，半徑較小的離子摻雜后會(huì)與TiO2形成摻雜能級(jí)，從而進(jìn)一步減小其帶隙能;半徑較大的鑭系金屬離子摻雜后會(huì)引起TiO2的晶格扭曲，使其能夠接收更多的光生空穴并產(chǎn)生更多的自由基來(lái)氧化吸附的有機(jī)污染物分子。另外，摻雜的離子可以結(jié)合電子或空穴，阻止其復(fù)合的進(jìn)行。
　　(4)應(yīng)用領(lǐng)域的拓展
　　與以往研究不同，本研究將離子摻雜后的TiO2-ZnO復(fù)合薄膜主要應(yīng)