貴金屬修飾的TiO2薄膜光催化活性的研究.pdf

1、利用半導(dǎo)體光催化劑降解有機(jī)污染物是當(dāng)前處理環(huán)境問(wèn)題的重要手段之一。在眾多半導(dǎo)體材料中，TiO2因價(jià)廉無(wú)毒、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)成為了目前應(yīng)用最廣泛的一種光催化劑。然而TiO2粉末光催化劑具有難以回收，在水溶液中易團(tuán)聚，以及容易對(duì)凈化過(guò)的水和空氣造成二次污染等缺點(diǎn)，阻礙了其應(yīng)用。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，具有較高電子-空穴利用率和易回收的二維TiO2薄膜光催化劑有著明顯的優(yōu)勢(shì)。在TiO2薄膜的眾多制備方法中，射頻磁控濺射法因?yàn)榭梢杂行У恼{(diào)控制備參

2、數(shù)，實(shí)現(xiàn)大面積的生產(chǎn)，從而引起了大家的關(guān)注。但是，TiO2薄膜具有較窄的光譜響應(yīng)范圍和較低的量子效率，因此需要對(duì)TiO2薄膜做進(jìn)一步的改進(jìn)。為了解決光生電子和空穴的復(fù)合問(wèn)題，研究人員主要采取摻雜，半導(dǎo)體復(fù)合以及貴金屬修飾等方法對(duì)TiO2進(jìn)行改性。其中貴金屬納米顆粒吸附在TiO2表面所構(gòu)成的復(fù)合體系因其具有特殊的接觸界面結(jié)構(gòu)和電子遷移特性而一直受到人們的關(guān)注。因此在本論文中，我們主要研究了金屬-TiO2復(fù)合薄膜的光催化性能。論文的研究工作

3、分為以下三部分：
　　 一、TiO2薄膜的制備以及光催化性能研究
　　 分別采用Ti靶以及TiO2陶瓷靶，利用射頻磁控濺射法制備TiO2薄膜，以X射線衍射、原子力顯微鏡等測(cè)試方法對(duì)樣品進(jìn)行表征，以亞甲基藍(lán)的紫外光降解為探針?lè)磻?yīng)考察各樣品的光催化性能。研究結(jié)果表明：O2/(Ar+O2)氣氛、濺射氣壓、濺射功率、退火溫度等實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)TiO2薄膜的結(jié)構(gòu)以及薄膜的光催化性能會(huì)產(chǎn)生一定的影響。綜合考慮TiO2薄膜的結(jié)晶以及光催化性

4、能，我們確定了最優(yōu)的薄膜制備條件。在以后的研究中，均采用這一優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)參數(shù)制備TiO2薄膜。
　　 二、Pt/TiO2多層復(fù)合薄膜的制備以及光催化性能的研究
　　 采用射頻磁控濺射法制備了Pt/TiO2復(fù)合多層膜，利用X射線衍射、掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡、紫外-可見(jiàn)光漫反射譜、熒光光譜儀等測(cè)試方法對(duì)樣品各性能方面進(jìn)行了表征。以有機(jī)物亞甲基藍(lán)的紫外光降解為探針?lè)磻?yīng)，考察樣品的光催化性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所有Pt/TiO2

5、多層膜的光催化性能要高于純TiO2薄膜。Pt薄膜的位置對(duì)該復(fù)合結(jié)構(gòu)的光降解能力的影響是不同的，Pt膜在TiO2薄膜下面及中間的復(fù)合薄膜的光催化性能是最好的，在這里，考慮到Pt薄膜的附著性，我們制備了五種不同厚度的Pt薄膜（分別為0.75nm、1.5nm、3nm、7.5nm以及12nm）放在TiO2薄膜的中間（即TiO2/Pt/TiO2，簡(jiǎn)稱(chēng)TPT），實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)Pt膜厚增加到3nm時(shí)，測(cè)得的TPT多層膜的光催化性能是最好的，并且是純T

6、iO2薄膜光催化性能的三倍。這種光催化性能的增強(qiáng)歸功于Pt層的存在，正是由于Pt層能夠?qū)獯呋^(guò)程中產(chǎn)生的電子空穴對(duì)的復(fù)合過(guò)程產(chǎn)生抑制作用，并且Pt層對(duì)薄膜表面的粗糙度和上層的TiO2薄膜的晶相也有影響。
　　 三、TiO2/Au多層膜的制備及其光電流性質(zhì)的研究
　　 利用磁控濺射的方法制備了Au/TiO2的復(fù)合薄膜。討論了退火過(guò)程對(duì)Au形貌以及吸收性質(zhì)的影響，同時(shí)研究了樣品的光電流性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)退火處理，金屬薄膜

7、表面的金屬顆粒會(huì)團(tuán)簇，吸收?qǐng)D譜中可以觀察到Au的表面等離激元共振峰。另外，在紫外光和可見(jiàn)光作用下，Au/TiO2的復(fù)合膜的光電流相比純TiO2薄膜均有所增加，但是金屬所起的作用是不同的。在紫外光作用下，金屬起到了電子陷阱的作用，可以有效地捕獲TiO2薄膜中的電子，從而減少薄膜中電子空穴對(duì)的復(fù)合；在可見(jiàn)光作用下，金屬在其中起到了給予電子的作用，貴金屬Au在可見(jiàn)光作用下產(chǎn)生表面等離激元共振現(xiàn)象，也就是金屬表面的電子發(fā)生集體震蕩，這部分電子會(huì)