高催化活性納米TiO2薄膜的制備及其性能研究.pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和世界人口的迅速增長(zhǎng)，環(huán)境污染和能源短缺已成為人類亟待解決的兩大問題，二氧化鈦(TiO2)作為一種半導(dǎo)體功能材料，具有良好的催化性能、安全無毒且對(duì)環(huán)境友好等特點(diǎn)，在治理環(huán)境污染和開發(fā)利用太陽能方面具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，TiO2光催化材料存在兩大缺陷:一是由于其禁帶寬度較大，對(duì)太陽光的利用率較低;二是被激發(fā)的電子-空穴對(duì)較易復(fù)合，量子產(chǎn)率較低。對(duì)TiO2進(jìn)行摻雜改性是解決上述問題，進(jìn)而改善其光催化性能的有效途徑。本論

2、文采用溶膠凝膠法在玻璃基底上制備了純TiO2薄膜，通過摻雜銀以及銀氮共摻的方法對(duì)其進(jìn)行改性，同時(shí)對(duì)影響TiO2光催化材料性能的因素和制約條件進(jìn)行了探討。為此，本文利用X射線衍射儀(XRD)、場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜分析儀(EDS)和紫外可見分光光度計(jì)(UV-vis)等測(cè)試手段表征了催化材料的晶型結(jié)構(gòu)、微觀形貌和光吸收性能。另外，以亞甲基藍(lán)溶液為目標(biāo)污染物，考察了薄膜光催化材料在可見光下的光催化活性。主要研究結(jié)果如下:

3、　　對(duì)于純TiO2薄膜光催化材料，制備過程中，隨著熱處理溫度從300℃升高至500℃，TiO2逐漸由非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殇J鈦礦型，薄膜晶粒呈現(xiàn)從無到有，從小到大的生長(zhǎng)趨勢(shì)，結(jié)晶程度逐漸升高;然而當(dāng)熱處理溫度高至600℃時(shí)，銳鈦礦型TiO2開始向金紅石型TiO2轉(zhuǎn)變，晶粒變得粗大并且出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)證明:經(jīng)500℃熱處理后的純TiO2薄膜光催化材料全部由銳鈦礦相組成，顆粒大小均勻，結(jié)晶度較好，平均晶粒尺寸約為50 nm，可吸收波長(zhǎng)小于387 n

4、m的紫外光，對(duì)波長(zhǎng)在387 nm～800 nm之間的可見光無明顯吸收?？梢姽庀耇iO2薄膜的光催化活性極低，300 min光照后，亞甲基藍(lán)溶液幾乎沒有降解。
　　通過Ag摻雜對(duì)TiO2薄膜進(jìn)行了改性研究，結(jié)果表明:Ag摻雜能夠促進(jìn)銳鈦礦型TiO2向金紅石型TiO2轉(zhuǎn)變;Ag-TiO2薄膜的晶粒尺寸(30 nm)比純TiO2薄膜(50 nm)的小，故相應(yīng)比表面積比純TiO2薄膜的大;Ag摻雜TiO2薄膜的本征吸收邊發(fā)生了紅移，吸光范

5、圍擴(kuò)展至可見光區(qū);Ag-TiO2薄膜的可見光催化活性高于純TiO2薄膜的活性，可見光照射300 min后，亞甲基藍(lán)溶液的降解率可達(dá)45％。光催化活性的提高是由于Ag摻雜后，在Ag與TiO2的界面上形成了捕獲電子的肖特基勢(shì)壘，抑制了光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合，提高了量子產(chǎn)率。合適的熱處理溫度與Ag的摻雜量是制備高性能薄膜的關(guān)鍵因素，本實(shí)驗(yàn)條件下制備Ag-TiO2薄膜的最佳熱處理溫度為400℃，最佳摻Ag量為0.1 wt.％。
　　本論文

6、還對(duì)銀氮共摻TiO2薄膜進(jìn)行了研究。(Ag，N)-TiO2薄膜的結(jié)晶度很好，TiO2以銳鈦礦的形式存在，薄膜表面由形狀規(guī)則的球形顆粒組成，平均晶粒尺寸約為20 nm，比Ag-TiO2薄膜和純TiO2薄膜的小，并且薄膜與玻璃基底結(jié)合緊密，二者之間無空隙出現(xiàn)，薄膜厚度約為150 nm。薄膜的光響應(yīng)范圍不僅擴(kuò)展到了可見光區(qū)，而且對(duì)可見光的吸收更強(qiáng)。光催化實(shí)驗(yàn)證明，(Ag，N)-TiO2薄膜的可見光催化活性比單一Ag摻雜、單一N摻雜以及純TiO