射頻磁控濺射法制備Ag-TiO2復(fù)合薄膜的光催化和親水性能研究.pdf

1、TiO2薄膜具有光催化和親水性能,在污水處理、空氣凈化、自清潔、防霧材料等領(lǐng)域引起人們廣泛關(guān)注。然而為了實(shí)際應(yīng)用,需要進(jìn)一步提高其光催化活性和親水性能。因此,提高TiO2薄膜的光催化活性,增強(qiáng)其親水性能,制備具有高的光催化活性和超親水性能的新型TiO2薄膜,業(yè)已成為光化學(xué)、光催化和材料科學(xué)等領(lǐng)域的前沿研究課題。
　　本學(xué)位論文采用射頻磁控濺射法在單晶硅、玻璃、石英片上淀積Ag含量不同(0-40.0 vol％Ag)的Ag-TiO2薄

2、膜。利用表面輪廓儀、X射線衍射儀、X射線光電子能譜儀、原子力顯微鏡、透射電子顯微鏡、紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)、熒光光度計(jì)和接觸角儀等測(cè)試分析技術(shù)表征薄膜厚度、結(jié)構(gòu)、組分、形貌、光學(xué)性能和親水性能。使用高壓汞燈作為光源,以甲基橙溶液為模型化合物評(píng)價(jià)薄膜的光催化活性。全面系統(tǒng)地考察Ag的含量、襯底、退火溫度和退火時(shí)間等對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)、組分、形貌、光學(xué)性能、光催化和親水性能的影響。并將Ag-TiO2薄膜應(yīng)用于光催化降解巢湖污染水樣、防霧玻璃和防霧鏡的

3、實(shí)驗(yàn)研究。主要研究結(jié)果如下:
　　1.研究退火溫度對(duì)TiO2薄膜相結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)組成、形貌、光學(xué)性能、光催化活性和親水性能的影響。結(jié)果表明:淀積態(tài)TiO2薄膜呈現(xiàn)出無(wú)定形結(jié)構(gòu)特征,經(jīng)400℃退火后的薄膜出現(xiàn)銳鈦礦相,600℃退火后出現(xiàn)金紅石相,1000℃退火后銳鈦礦完全轉(zhuǎn)變?yōu)榻鸺t石相。隨著金紅石相的增加,親水性能增強(qiáng)。銳鈦礦與金紅石混合相(銳鈦礦相質(zhì)量百分比為13％)薄膜具有最佳親水性能。隨著退火溫度的升高,晶粒尺寸和表面粗糙度逐

4、漸增大,僅在950～1000℃時(shí)出現(xiàn)減小。1000℃退火的薄膜組成為TiOx。薄膜的光催化活性依賴于帶隙和粒度,適當(dāng)?shù)膸?2.97-3.07 eV)有利于電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生,從而使薄膜具有良好的光催化活性。淀積態(tài)薄膜反復(fù)使用6次對(duì)初始濃度為5.0 ppm的甲基橙溶液的光催化降解率分別為36.566％、33.112％、32.824％、32.248％、30.521％和28.794％,使用蒸餾水超聲清洗10 min后,降解率恢復(fù)為33.97

5、5％。
　　2.研究退火時(shí)間對(duì)TiO2薄膜相結(jié)構(gòu)、形貌及光學(xué)性能的影響。結(jié)果表明,在相同的退火溫度下,與退火0.5 h相比,退火1 h的薄膜中銳鈦礦相TiO2減少,金紅石相TiO2增多,對(duì)可見(jiàn)光透射率有所減小,1000℃以上退火時(shí),透射率減小更為明顯。與退火1 h相比,退火0.5 h薄膜顆粒較小,明顯呈現(xiàn)納米團(tuán)簇狀,薄膜表面粗糙度增大。
　　3.研究Ag含量對(duì)TiO2薄膜相結(jié)構(gòu)、表面形貌、光學(xué)性能、光催化活性和光致親水性能的

6、影響。結(jié)果表明,Ag含量影響薄膜晶相結(jié)構(gòu),薄膜中的銀以單質(zhì)形式存在。隨著Ag含量的增加,光催化活性首先增加,含5.0 vol％Ag的薄膜光催化活性最高,然后減小,但是仍然高于純TiO2薄膜。光催化活性的增強(qiáng)主要?dú)w因于帶隙減小和薄膜表面氧陰離子激子與活性中心Ti2O3+的增加。隨著Ag含量的增加,薄膜親水性能先增后減,適量的Ag(大約5.0 vol％)顆粒修飾能增強(qiáng)TiO2薄膜的親水性能,其機(jī)理歸因于薄膜表面O2-與Ti3+的增加和電子-

7、空穴的有效分離。
　　4.研究了退火溫度對(duì)10.0 vol％Ag修飾的TiO2薄膜相結(jié)構(gòu)、組成、形貌、光學(xué)性能、光催化性能和親水性能的影響。結(jié)果表明,添加10.0 vol％Ag抑制了銳鈦礦TiO2的生長(zhǎng)。950℃退火的薄膜表面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Ag元素。隨著退火溫度的升高,平均顆粒尺寸上下波動(dòng)且有增加的趨勢(shì)。隨著退火溫度的升高,薄膜對(duì)甲基橙溶液的光催化降解率首先從未退火時(shí)的40.308％增加到200℃時(shí)45.777％、400℃時(shí)48.944

8、％,然后減小到600℃時(shí)44.338％、800℃時(shí)31.672％,當(dāng)退火溫度為950℃時(shí),降解率又增加為44.05％。薄膜接觸角從未退火時(shí)89o減小到200℃時(shí)84o、又增加到400℃時(shí)93o、600℃時(shí)99o,然后減小到800℃時(shí)54o,當(dāng)退火溫度為950℃時(shí),接觸角又增加為61o。
　　5.研究了900℃下退火時(shí)間對(duì)5.0 vol％Ag修飾的TiO2薄膜相結(jié)構(gòu)、表面形貌、光學(xué)性能和親水性能的影響。結(jié)果表明,在相同的退火溫度下,

9、薄膜的晶相結(jié)構(gòu)隨著退火時(shí)間的不同而變化,并明顯地沿著金紅石TiO2(110)晶面擇優(yōu)取向生長(zhǎng)。平均顆粒尺寸起初隨著退火時(shí)間的增加而增加,當(dāng)退火時(shí)間達(dá)到30 min之后,再增加退火時(shí)間,平均顆粒尺寸卻無(wú)明顯變化。表面粗糙度與顆粒尺寸密切相關(guān)。熒光發(fā)射光譜強(qiáng)度隨著退火時(shí)間的增加而增強(qiáng)。隨著退火時(shí)間的增加,接觸角從未退火時(shí)的81o減小到退火15 min時(shí)的59o、又增加到退火30 min時(shí)的64o、然后減小到退火60 min時(shí)63o,退火90

10、 min和120 min時(shí),接觸角均為62o。退火時(shí)間影響Ag-TiO2薄膜親水性能的主要因素有:(1)缺陷位的數(shù)量;(2)可見(jiàn)光吸收區(qū)域;(3)薄膜表面電子-空穴分離率;(4)薄膜表面粗糙度;(5)薄膜結(jié)晶度。
　　本學(xué)位論文的創(chuàng)新點(diǎn)在于:
　　1.率先使用Ag納米顆粒修飾TiO2薄膜,采用射頻磁控濺射工藝制備Ag-TiO2復(fù)合薄膜,拓展了TiO2薄膜對(duì)可見(jiàn)光的吸收區(qū)域。
　　2. Ag納米顆粒修飾有效地增強(qiáng)了TiO