納米銀tio2復(fù)合膜光催化研究論文

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　中文摘要1</b></p><p><b>　　英文摘要2</b></p><p><b>　　1 前言3</b></p><p>　　2 光催化作用概述4</p&g

2、t;<p>　　2.1 TiO2薄膜光催化作用機(jī)理4</p><p>　　2.2 納米銀作用于TiO2薄膜光催化的機(jī)理5</p><p>　　2.3 相關(guān)參數(shù)對復(fù)合薄膜光催化性能的影響7</p><p>　　2.3.1 TiO2薄膜晶體結(jié)構(gòu)的影響7</p><p>　　2.3.2 TiO2薄膜晶粒尺寸8</p&g

3、t;<p>　　2.3.3 銀膜厚度8</p><p>　　2.3.4 TiO2薄膜厚度9</p><p>　　2.3.5 復(fù)合膜表面積和表面預(yù)處理9</p><p>　　3 實(shí)驗(yàn)部分10</p><p>　　3.1 實(shí)驗(yàn)方案簡介10</p><p>　　3.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹10</p

4、><p>　　3.2.1 TiO2薄膜制備系統(tǒng)10</p><p>　　3.2.2 蒸發(fā)鍍銀膜系統(tǒng)11</p><p>　　3.2.3 光催化反應(yīng)系統(tǒng)12</p><p>　　3.3 光催化測定13</p><p>　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析15</p><p>　　4.1 不同厚度的二

5、氧化鈦薄膜對光催化的影響15</p><p>　　4.2 不同厚度銀膜對光催化的影響16</p><p>　　4.3 可見光下復(fù)合膜的催化性17</p><p>　　4.4 不同反應(yīng)物光催化反應(yīng)的差異及分析18</p><p><b>　　結(jié)論20</b></p><p><b&g

6、t;　　謝辭21</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)22</b></p><p>　　二氧化鈦納米銀復(fù)合薄膜光催化研究</p><p>　　摘 要：TiO2薄膜的由于其光催化性能被廣泛應(yīng)用于污水處理，空氣凈化，薄膜太陽能電池消毒殺菌，功能涂料、紡織品、塑料等眾多領(lǐng)域，而許多的研究都表明，在TiO2薄膜上沉積銀將會(huì)提高二

7、氧化鈦薄膜的光催化作用。本研究使用鈦金屬靶通過直流反應(yīng)磁控濺射法制備銳鈦礦結(jié)構(gòu)的TiO2薄膜，用薄膜吸光度曲線來表征二氧化鈦薄膜的物性特征。通過真空蒸發(fā)鍍的方法在TiO2薄膜上沉積納米銀粒子。通過降解溶液中的羅丹明驗(yàn)證了復(fù)合膜在可見光下具有光催化的能力，分別研究了二氧化鈦薄膜和納米銀薄膜在不同光源下的光催化性能，并討論了在反應(yīng)物不同的情況下光催化性能的區(qū)別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明復(fù)合膜在可見光下具有光催化性能，可見光下銀膜厚度為548nm時(shí)光催化

8、效果最好，在一定范圍內(nèi)，TiO2薄膜厚度越厚，光催化性能越好，TiO2薄膜對亞甲基藍(lán)的催化效果要好于羅丹明。</p><p>　　關(guān)鍵詞：TiO2薄膜，納米銀，光催化，羅丹明，亞甲基藍(lán)</p><p>　　The Research of Photocatalytic Performance of Titanium oxide-nano silver Composite Film&l

9、t;/p><p>　　Abstract: Due to its photocatalytic properties ，TiO2 films are widely used in sewage treatment, air purification, film solar cells, disinfection sterilization, functional coatings, textiles, plastics

10、, and many other fields,while many studies had shown that silver deposition on the surface of TiO2 films will promote its photocatalytic performance. This study using titanium target to prepare anatase TiO2 films by dc m

11、agnetron sputtering; using film absorbance curve to characterize the physical cha</p><p>　　Key words: TiO2 films, silver films, photocatalysis, R6G, methylene blue.</p><p><b>　　1 前言</b

12、></p><p>　　新型納米二氧化鈦光催化材料的合成及反應(yīng)研究， 隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的不斷發(fā)展，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展成為人類必須考慮的首要問題。光催化技術(shù)作為綠色化學(xué)的一個(gè)代表是近三十年以來發(fā)展起來的新興研究領(lǐng)域。大量研究表明，水和空氣中各種有毒有害的污染物，化工生產(chǎn)中排放的各種烷烴、芳烴及其衍生物、鹵代物、多環(huán)芳烴和雜環(huán)化合物等大都能被光催化降解。把純潔無污染而又取之不盡的光能的

13、應(yīng)用與環(huán)境保護(hù)結(jié)合起來的光催化劑和反應(yīng)設(shè)備用來降解工業(yè)廢水中有毒、有害、難分解的有機(jī)物的研究具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義，半導(dǎo)體光催化材料也成為科學(xué)家們研究的重點(diǎn)。</p><p>　　納米二氧化鈦多相光催化降解有機(jī)污染物以其反應(yīng)速度快、適用范圍廣、深度氧化完全、能充分利用太陽光和空氣(水相中)的氧分子等優(yōu)點(diǎn)而倍受青睞，特別是當(dāng)有機(jī)污染物濃度很高或用其他方法很難降解時(shí)，這種技術(shù)有著更明顯的優(yōu)勢。 二氧化鈦光催化技術(shù)的研究在

14、最近10年得到了較快的發(fā)展，然而總體上仍然處于理論探索和實(shí)驗(yàn)室階段，尚未達(dá)到產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。</p><p>　　從1972年Fujishima和Honda首次發(fā)現(xiàn)TiO2單晶能夠在太陽光輻射下分解水開始，TiO2優(yōu)異的光催化性能得到廣泛的關(guān)注，但是因其帶隙較寬（3.0～3.2eV），光響應(yīng)范圍較窄，難以有效的利用太陽光；另一個(gè)關(guān)鍵問題是如何增加導(dǎo)體光致電子空穴對或減少其復(fù)合幾率，以提高量子效率與光催化活性。研究表明

15、，通過在納米TiO2摻雜Zn、Fe、Mo、Pt、Ag和Rh等活性金屬粒子，可以使TiO2光響應(yīng)的波長延伸至可見光區(qū)，因而顯著提高了材料的光催化性能。</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)正是利用在TiO2薄膜上沉積納米銀粒子改變TiO2薄膜的光催化性能，從而研究銀摻雜對TiO2薄膜光催化性能的影響。</p><p>　　2 光催化作用概述</p><p>　　2.1 二氧化

16、鈦薄膜光催化作用機(jī)理</p><p>　　TiO2是一種n型半導(dǎo)體氧化物，其光催化原理可用半導(dǎo)體的能帶理論來闡述。TiO2半導(dǎo)體粒子的能帶結(jié)構(gòu)一般由填滿電子的價(jià)帶（VB）和空的高能導(dǎo)帶（CB）構(gòu)成，價(jià)帶和導(dǎo)帶之間存在禁帶，稱為禁帶寬度或帶隙能（）。用光照射TiO2薄膜時(shí)，并非任何的光都能被吸收和產(chǎn)生激發(fā)作用，只有其能量滿足下式的光量子才能發(fā)揮作用，即</p><p><b>　　

17、，</b></p><p>　　因此，只有當(dāng)波長小于387.8nm的光照射二氧化鈦薄膜時(shí)，價(jià)帶上的電子（e）才會(huì)被激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶形成光生電子（），在價(jià)帶上產(chǎn)生空穴（），并在電場的作用下分別遷移到粒子表面。光生電子（）易被水中溶解氧等氧化性物質(zhì)所捕獲，而空穴因具有極強(qiáng)的捕獲電子的能力而具有很強(qiáng)的氧化性，光催化作用機(jī)理見圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 光催化作用機(jī)理&

18、lt;/p><p>　　當(dāng)波長小于387.8nm的光照射TiO2薄膜是，電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶上，在價(jià)帶上留下空穴，形成光生電子-空穴對。而激發(fā)態(tài)的導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴又能重新復(fù)合，使光能以熱能的形式散失。</p><p>　　TiO2+（UV）→TiO2（+） (1)</p><p>　　+→復(fù)合+能量 （2）</p

19、><p>　　當(dāng)TiO2薄膜存在合適的俘獲劑或表面缺陷態(tài)時(shí)，電子和空穴的重新復(fù)合得到抑制，在它們復(fù)合之前，就會(huì)在薄膜表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)。價(jià)帶空穴是良好的氧化劑，導(dǎo)帶的電子是良好的還原劑。大多數(shù)光催化氧化反應(yīng)是直接或間接地利用空穴的氧化性。在光催化半導(dǎo)體中，空穴具有更大的反應(yīng)活性，是攜帶量子的主要部分，一般與表面吸附的H2O或OH離子反應(yīng)形成具有強(qiáng)氧化性的羥基自由基。</p><p>　　Ti

20、O2（）+H2O→TiO2+H+OH· （3）</p><p>　　TiO2（）+OH→TiO2+ OH· （4）</p><p>　　電子與表面吸附的氧分子反應(yīng)，分子氧不僅參與還原反應(yīng)，還是表面羥基自由基的另外一個(gè)來源，具體的反應(yīng)式如下：</p><p>　　TiO2（）+O2→TiO2+·

21、 （5）</p><p>　　·+H2O→·OOH+OH （6）</p><p>　　2·OOH→O2+H2O2 （7）</p><p>　　·+ TiO2（）+2H→H2O2+TiO2 （8）</p><p>　　H2O

22、2→2 OH· （9）</p><p>　　上面的式子中，產(chǎn)生了非常活潑的羥基自由基和超氧離子自由基，這些都是氧化性很強(qiáng)的活潑自由基，能夠?qū)⒏鞣N有機(jī)物直接氧化為CO2 、H2O等無機(jī)小分子。而且因?yàn)樗鼈兊难趸芰?qiáng)，氧化反應(yīng)一般不停留在中間步驟，不產(chǎn)生中間產(chǎn)物。OH·自由基幾乎無反應(yīng)物選擇性，它在光催化氧化中起著決定性的作用。</p>

23、<p>　　2.2 納米銀作用于TiO2薄膜光催化的機(jī)理</p><p>　　各種研究表明，納米銀沉淀在光催化膜片上可以有效的擴(kuò)展光催化反應(yīng)光源的波長區(qū)間。同時(shí)，由于納米銀對表面電子的吸引作用，有效的抑制了光生電子空穴對的復(fù)合，從而提高了膜片光催化的效率。</p><p>　　納米銀粒子在膜片表面的沉積過程如圖2.2所示，圖2.2所示為不同時(shí)間下測得的表面沉積的納米銀粒子的電

24、子顯微鏡圖像。由電阻加熱蒸發(fā)出來的銀原子，入射到膜片上以后，附著在膜片表面上。在膜片表面的銀原子發(fā)生遷移現(xiàn)象，在膜片上凝結(jié)，形成一個(gè)個(gè)島狀的沉淀。這些沉淀在膜片表面上隨機(jī)的分布，隨著銀粒子的繼續(xù)附著，這些沉淀逐漸的長大，合并，并最終在膜片上形成銀膜。分布在膜片的表面上的銀原子，可以吸引游離在膜片表面的光生電子，從而抑制光生電子空穴對的復(fù)合，延長光生電子空穴對的存在時(shí)間，從而提高光催化效率。</p><p>　　圖

25、2.2不同時(shí)間下膜片表面銀電鏡圖像 </p><p>　　分布在膜片表面上的銀原子還可以擴(kuò)展TiO2膜片光催化反應(yīng)的光源波長區(qū)間。其作用的微觀原理如圖2.3所示（以Ag-DP25為例）：</p><p>　　不同電子層的能級可以在能帶隙內(nèi)任意分布，并允許非彈性捕獲半導(dǎo)體帶中的電子和空穴。靠近費(fèi)米能級的電子層主要是導(dǎo)帶電子。在本例中，靠近費(fèi)米能級的是由于微量的碳產(chǎn)生的態(tài)（圖2.3）。從導(dǎo)

26、帶中轉(zhuǎn)移到這些表面層中的電子數(shù)可通過下面的計(jì)算得到：</p><p>　　其中f表示束縛電子占據(jù)率，是這些表面層電子捕獲的截面積，為電子熱運(yùn)動(dòng)速率，為表面層密度，為表面電子密度。缺陷層電子位于下0.3eV可能由層產(chǎn)生。導(dǎo)帶產(chǎn)生的光生電子可以滑向銀能級，再從銀能級轉(zhuǎn)移到銀沉淀或者其他能級。另外銀能級可以作為電子捕獲中心，或者說它對電子的吸附作用最大，并且集中了Ag-DP25附近的雜質(zhì)粒子。束縛在金屬銀中的電子由于A

27、g-DP25中的氧化作用有效地轉(zhuǎn)移到了有機(jī)分子中。這樣也就間接地降低了禁帶寬度，擴(kuò)展了光催化光源的波長區(qū)間。</p><p>　　2.3影響復(fù)合膜光催化的相關(guān)參數(shù)</p><p>　　2.3.1 TiO2薄膜晶體結(jié)構(gòu)的影響</p><p>　　TiO2 的晶體結(jié)構(gòu)有3種:金紅石、銳鈦礦和板鈦礦。這些結(jié)構(gòu)的共同點(diǎn)是,其組成結(jié)構(gòu)的基本單位均是TiO6八面體,而區(qū)別是這些

28、TiO6八面體是通過共用頂點(diǎn)還是通過共邊組成骨架。銳鈦礦結(jié)構(gòu)是TiO6八面體共邊組成，而金紅石和板鐵礦結(jié)構(gòu)則是由TiO6八面體共頂點(diǎn)且共邊組成。因晶體結(jié)構(gòu)不同，3種晶型的性能也有差異。就薄膜型的TiO2而言，目前只觀測到金紅石和銳鈦礦兩種結(jié)構(gòu)，尚未在TiO2薄膜中觀測到板鈦礦結(jié)構(gòu)[2]。影響TiO2 薄膜結(jié)構(gòu)的因素較多,目前研究最多的是溫度和氧分壓對TiO2 薄膜結(jié)構(gòu)的影響。</p><p>　　表2.1 Ti

29、O2的晶體結(jié)構(gòu)</p><p>　　銳鈦礦相TiO2具有良好的光催化性。實(shí)踐中可檢測其中任意一項(xiàng)大概判定薄膜是否有銳鈦礦相。與金紅石相相比銳鈦礦型TiO2的光催化活性最好，約為金紅石型的300～2000倍[3] 。無定形和板鈦礦相的TiO2無光催化活性。一定比例的混晶由于兩種結(jié)構(gòu)混雜增大了半導(dǎo)體氧化物晶格內(nèi)的缺陷濃度而顯示出更強(qiáng)的光催化活性，有研究表明銳鈦礦與金紅石的質(zhì)量比為7∶3的混晶(熱處理溫度670 ℃)

30、的光催化活性最強(qiáng)。</p><p>　　2.3.2 TiO2薄膜晶粒尺寸</p><p>　　普通粉末半導(dǎo)體光催化劑的量子效率不高，而最近興起的納米材料研究表明納米材料在光學(xué)性能、催化性能等方面發(fā)生了變化。光生電子和空穴從相體內(nèi)擴(kuò)散到催化劑的表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)的時(shí)間與顆粒尺寸有關(guān)：</p><p>　　式中為時(shí)間，為電子、空穴擴(kuò)散系數(shù)，為粒徑，為常數(shù)。</p

31、><p>　　從式中可以看出粒徑小，光生電子和空穴從TiO2體內(nèi)擴(kuò)散到表面時(shí)間短，他們在TiO2體內(nèi)的復(fù)合幾率減小，到達(dá)表面的電子和空穴數(shù)量多，光催化活性高。當(dāng)顆粒大小為1-10nm時(shí)，出現(xiàn)量子尺寸效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致禁帶變寬，并使能帶藍(lán)移。禁帶變寬使電子-空穴具有更強(qiáng)的氧化還原能力，使半導(dǎo)體光效應(yīng)提高。盡管納米粒子的量子尺寸效應(yīng)使禁帶變寬，并使導(dǎo)帶能級向負(fù)移，價(jià)帶能級向正移，導(dǎo)致催化劑的氧化能力增強(qiáng)。但銳鈦礦型

32、TiO2 禁帶寬度為3.2ev，當(dāng)波長等于或小于387.8nm的光照射下,價(jià)帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶形成電子-空穴對。禁帶變寬，激發(fā)所需要的能量升高，就必須使用波長更短的光源，這樣利用太陽能的愿望將更難實(shí)現(xiàn)，而光催化作為一種水處理技術(shù)必須利用太陽光作為能量來源才具有更強(qiáng)競爭力，因此納米粒子的粒徑太大或太小都是不可取的。</p><p>　　2.3.3 銀膜厚度</p><p>　　一般認(rèn)為隨著銀

33、膜厚度的增加，意味著沉積在TiO2薄膜表面的銀原子越多，則銀原子對光生電子空穴對的吸附作用更強(qiáng)。這致使在光能作用下，產(chǎn)生的電子和空穴能夠存在更長的時(shí)間，也就是增加了電子和空穴的數(shù)量，于是有利于光催化反應(yīng)的進(jìn)行。所以一般認(rèn)為，銀膜厚度越厚，光催化效率越高。但是當(dāng)銀膜厚度達(dá)到一定值之后，對電子的吸附能力將不再增加。但是由于銀膜覆蓋在TiO2薄膜的表面，所以當(dāng)銀膜厚度增加時(shí)，將會(huì)阻擋光源發(fā)出的光到達(dá)TiO2薄膜表面，減少被TiO2薄膜吸收的光

34、能，降低產(chǎn)生的光生電子空穴對的數(shù)量。從這個(gè)角度來說，銀膜厚度越厚，光催化效率越低。于是綜合上面兩種說法，銀膜厚度應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。有研究表明，在可見光下的催化反應(yīng)中，銀膜厚度約為546nm時(shí)，催化反應(yīng)的效率最高。</p><p>　　2.3.4 TiO2薄膜厚度</p><p>　　在其他因素相同的條件下，增加TiO2薄膜的厚度，可以使TiO2薄膜結(jié)晶化程度顯著提高，顆粒明顯長大，有助于

35、光生載流子的生成，有利于光的吸收。但是當(dāng)TiO2薄膜厚度達(dá)到一定程度后，TiO2薄膜結(jié)晶程度不再提高，而晶體顆粒變大，如果不做其他處理，那么光催化性能將不再提高，所以TiO2薄膜的厚度應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。候亞奇的實(shí)驗(yàn)證明，直流濺射鍍制備的TiO2薄膜厚度在800nm以下的時(shí)候，TiO2薄膜的降解能力基本與厚度成正比。</p><p>　　2.3.5 復(fù)合膜表面積和表面預(yù)處理</p><p>

36、;　　復(fù)合膜的表面積主要指的是TiO2薄膜的面積，在其它因素相同時(shí)，增大TiO2薄膜的表面積，有助于光生載流子的生成和反應(yīng)物在表面的吸附，有利于光的吸收，從而使光催化能力提高。而復(fù)合膜的表面與處理則包括兩個(gè)部分，一是TiO2薄膜的表面預(yù)處理，二是復(fù)合膜的表面預(yù)處理。表面預(yù)處理對薄膜的光催化性能有一定影響。薄膜表面用水清洗和在室溫下保存都會(huì)導(dǎo)致其光催化能力的顯著下降。另外，比如通過紅外干燥改變銀在TiO2薄膜表面的聚集狀態(tài)，還有通過超聲波

37、震蕩減少結(jié)合力弱的銀等方法都可以改變薄膜的光催化性能。</p><p><b>　　3 實(shí)驗(yàn)部分</b></p><p>　　3.1 實(shí)驗(yàn)方案簡介</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)的主要是通過直流反應(yīng)磁控濺射法制備出TiO2薄膜，然后再利用蒸發(fā)鍍的方法在TiO2薄膜上鍍上一層納米銀膜。利用制備出來的復(fù)合膜，放入羅丹明溶液中，在可見光下照射一段時(shí)間。

38、通過測試溶液的吸光度來表征溶液的濃度，繪制出可見光下復(fù)合膜對羅丹明溶液的降解曲線，來驗(yàn)證復(fù)合膜在可見光下對羅丹明溶液具有催化性。另外，我們還分別做了不同膜厚下的TiO2薄膜和銀膜對羅丹明溶液的光催化實(shí)驗(yàn)，以及不同膜厚下TiO2薄膜分別對羅丹明和亞甲基藍(lán)溶液的光催化實(shí)驗(yàn)，以此來說明復(fù)合膜中的兩個(gè)相單獨(dú)作用于光催化實(shí)驗(yàn)的效果。</p><p>　　3.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹</p><p>　　本實(shí)

39、驗(yàn)主要分為三個(gè)部分，即“用直流反應(yīng)磁控濺射法制備TiO2薄膜”，“通過蒸發(fā)鍍在TiO2薄膜上沉積銀膜”和“用所得到的膜片在光源下進(jìn)行光催化反應(yīng)”。下面分別介紹各個(gè)部分的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。</p><p>　　3.2.1 TiO2薄膜制備系統(tǒng)</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為沈陽中科儀的JGP450C型超高真空系統(tǒng)，系統(tǒng)示意圖如圖3.1所示，擁有三個(gè)濺射靶位：一個(gè)0.5KVA直流濺射電源，兩個(gè)SY型

40、500W射頻功率源，一次可裝載一個(gè)基片；2X-8B型旋片泵用于抽低真空，抽超高真空則用渦輪分子泵；真空度測量為FZH-2BK3型復(fù)合真空計(jì)；氣體流量由D08-2B/ZM型流量顯示儀控制；基片由溫控電源電阻加熱。</p><p>　　圖中～為針閥，G是主閥為插板閥。工作時(shí)先用機(jī)械泵將系統(tǒng)抽至10Pa以下，約5Pa。然后啟動(dòng)分子泵。</p><p>　　3.2.2 蒸發(fā)鍍銀膜系統(tǒng)</p&

41、gt;<p>　　本實(shí)驗(yàn)使用DMDE-450光學(xué)多層鍍膜機(jī)，其裝置結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。它主要由真空系統(tǒng)、蒸發(fā)設(shè)備及膜厚監(jiān)控系統(tǒng)組成。真空系統(tǒng)由各種真空器件組成，主要包括：真空室；真空泵（機(jī)械泵、和分子泵）；真空導(dǎo)管；各種真空閥門和測量真空度的真空計(jì)等。高真空閥門為碟式，機(jī)械泵與分子泵的連通閥門為三同式，將閥門拉出時(shí)，機(jī)械泵可以直接對鍍膜室抽氣，推入時(shí)機(jī)械泵與分子泵連通，同時(shí)也切斷了機(jī)械泵與鍍膜室的連接。蒸發(fā)系統(tǒng)由真空鐘罩，

42、蒸發(fā)電極（共有二對），活動(dòng)擋板，蒸發(fā)源，底盤等組成。蒸發(fā)源安裝在電極上。為了改善薄膜厚度的不均勻性，一般鍍膜機(jī)的低壓電極往往安裝在底盤的一側(cè)，并使要鍍的基片隨工作架旋轉(zhuǎn)。加熱電流由調(diào)壓器輸出調(diào)整，蒸發(fā)電壓與電流的大小可由面板上電流表和電壓表讀出。</p><p>　　工作時(shí)，先啟動(dòng)機(jī)械泵將系統(tǒng)抽至約5Pa，啟動(dòng)分子泵，將系統(tǒng)抽至Pa。連接電源開始加熱。預(yù)熱電流為40A，預(yù)熱時(shí)間120s，加熱電流為60A。<

43、/p><p>　　3.2.3 光催化反應(yīng)系統(tǒng)</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)的光催化反應(yīng)采用的光源主要有日光燈和紫外光兩種。分別通過一個(gè)日光燈和一個(gè)紫外光燈來獲得。光降解反應(yīng)中我們通過測試溶液的吸光度來表征溶液的濃度。我們使用日本島津公司生產(chǎn)的UV-2550pc紫外可見光分光分度計(jì)來測試溶液的吸光度。其相關(guān)參數(shù)如下</p><p>　　設(shè)置波長范圍 190～1100n

44、m </p><p>　　測試波長范圍 190～900 nm(使用特殊檢測器時(shí)，可達(dá)1100 nm) </p><p>　　波長確定性 ±0.3 nm內(nèi)裝有自動(dòng)波長校正功能 </p><p>　　波長重復(fù)精度 ±0.1 nm 掃描速度 </p><p>　　本實(shí)驗(yàn)過程中主要以蒸餾水為基底來測試反應(yīng)液（羅丹

45、明和亞甲基藍(lán)）的吸光度。</p><p><b>　　3.3 光催化測定</b></p><p>　　采用如圖3.4所示的催化裝置進(jìn)行光催化降解實(shí)驗(yàn)。將膜片放入小燒杯底部，向小燒杯中加入配置好的降解物溶液10ml，濃度為10-5mol/L。將燒杯放在功率為20w的紫外燈下，紫外燈距膜片距離為8cm。</p><p>　　圖3.4 光催化裝置示意

46、圖</p><p>　　實(shí)驗(yàn)一：采用兩組不同厚度的TiO2薄膜，置于羅丹明溶液中，分別在紫外光和可見光下照射四小時(shí)，每小時(shí)測試吸光度，繪制出羅丹明溶液的降解曲線。比較不同厚度的TiO2薄膜對羅丹明的降解速率。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)二：采用三組不同厚度的銀膜（510nm，548nm，693nm），置于羅丹明溶液中，分別在紫外光和可見光下照射四小時(shí)，每小時(shí)測試吸光度，繪制出羅丹明溶液的降解

47、曲線。比較不同厚度銀膜對羅丹明溶液的降解速率。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)三：采用復(fù)合膜和TiO2薄膜在同一可見光下照射四小時(shí)，降解羅丹明溶液每小時(shí)測試吸光度，繪制出羅丹明溶液的降解曲線。比較復(fù)合膜和TiO2薄膜的降解速率。</p><p>　　本次實(shí)驗(yàn)光催化性能的主要是通過對羅丹明或亞甲基藍(lán)溶液的降解來測定的，用降解速率來表征膜片的光催化性能的好壞。而羅丹明或亞甲基藍(lán)溶液的濃度則是通過測試

48、它們的吸光度來得到的。所以降解速率可由下面的計(jì)算公式得到：</p><p>　　式中為降解速率，c為常數(shù)，為溶液的初始吸光度，A為不同時(shí)間下所測得的溶液的吸光度，t為時(shí)間。用這個(gè)公式我們可以運(yùn)用origin軟件繪制出溶液的降解曲線，通過降解曲線來判斷膜片的光催化性能。</p><p>　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析</p><p>　　4.1 不同膜厚的二氧化鈦薄膜對

49、光催化的影響</p><p>　　TiO2薄膜厚度不同會(huì)影響膜片的光催化效率。因?yàn)樵谄渌蛩叵嗤臈l件下，增加TiO2薄膜的厚度，可以使TiO2薄膜結(jié)晶化程度顯著提高，顆粒明顯長大，有助于光生載流子的生成，有利于光的吸收。</p><p>　　通過直流反應(yīng)磁控濺射鍍制備的TiO2薄膜厚度主要通過濺射時(shí)間來控制。通過分別濺射1h和2h，我們制備了兩組不同膜厚的TiO2薄膜，并在440℃下退火

50、2h。用這兩組膜片進(jìn)行光催化實(shí)驗(yàn)，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4.1所示：</p><p>　　表4.1 不同膜厚TiO2薄膜光催化實(shí)驗(yàn)</p><p>　　從表中可以看出不論在紫外光下還是可見光下，不同膜厚的TiO2薄膜的光催化效率是不同的，我們繪制出不同膜厚的TiO2薄膜光催化反應(yīng)的降解曲線如圖4.1所示：</p><p>　　從圖中可以看出，不同膜厚的TiO2薄膜對光

51、催化反應(yīng)的影響效果并不是很大，而不同光源卻有很大的影響，膜厚的影響并非為正比。而紫外光源下的催化效率在其他因素相同的條件下卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于可見光源下的催化效率。</p><p>　　4.2 不同膜厚的銀膜對光催化的影響</p><p>　　在復(fù)合膜中，銀膜厚度即作為銀含量的表征，銀膜厚度越大，則附著在TiO2薄膜表面的銀原子越多，對電子的吸引能力越大，同時(shí)對TiO2薄膜能級的改變也越強(qiáng)，使禁帶寬

52、度越低，提高了光催化效率。但是當(dāng)銀膜厚度達(dá)到一定程度后，其對電子的吸引能力不再增加，同時(shí)對TiO2薄膜能級的改變也不再變強(qiáng)，而銀膜厚度繼續(xù)增加卻遮擋了裸露的TiO2薄膜，致使TiO2薄膜的有效反應(yīng)面積變小，降低了對光的吸收，減少了光生電子空穴對的產(chǎn)生，從而降低了光催化效率。</p><p>　　在本實(shí)驗(yàn)中，以單獨(dú)的銀膜作為研究，考察在可見光下銀膜是否具有催化性，同時(shí)考察銀膜厚度對光催化的影響。我們通過真空蒸發(fā)鍍得

53、到了膜厚為510nm，548nm，以及693nm的銀膜。</p><p>　　以這三組膜片進(jìn)行光催化降解羅丹明溶液的實(shí)驗(yàn)，所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4.2所示：</p><p>　　表4.2 銀膜光催化實(shí)驗(yàn)</p><p>　　從上述的表格中可以看出，對于銀膜來說紫外光的催化作用依舊好于可見光。依照上面的表格我們繪制出銀膜光催化羅丹明的降解曲線如圖4.2，4.3所示：<

54、;/p><p>　　從上面給的圖像可以看出，在紫外光下，不同膜厚的銀膜光催化效果有明顯差異，厚度為548nm的銀膜光催化效果最好，693nm次之，最差的為510nm。由此可見，銀膜厚度并不是越厚越好，我們做出這樣的猜想：銀膜厚度對光催化的影響成一條鐘形曲線，在548nm處催化效果最好。在可見光下，膜厚不同的銀膜光催化性能的差異并不明顯。</p><p>　　4.3 可見光下的復(fù)合膜催化性<

55、;/p><p>　　TiO2薄膜在紫外光下具有很強(qiáng)的光催化性，但是其禁帶寬度較大，難以利用太陽光，所以很難在實(shí)際中得到大量的應(yīng)用。有研究表明，通過在TiO2薄膜表面沉積金屬可以有效的降低其禁帶寬度，從而使其在太陽光下也具有催化性。本實(shí)驗(yàn)正是通過日光燈下降解羅丹明溶液來驗(yàn)證，復(fù)合膜在可見光下具有催化性能，并且比較復(fù)合膜與TiO2薄膜的光催化性能的強(qiáng)弱。</p><p>　　通過之前所說的實(shí)驗(yàn)步驟

56、，我們得到如表4.4所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：</p><p>　　表4.4 復(fù)合膜可見光下催化實(shí)驗(yàn)</p><p>　　通過上述表格可以看出，可見光下復(fù)合膜的降解速率基本為常值，用origin軟件繪制出的降解速率曲線如圖4.1所示：</p><p>　　從圖中可以看到隨著時(shí)間的變化，降解曲線基本呈直線。由此可見，在可見光下，復(fù)合膜對羅丹明溶液具有催化效應(yīng)。并且在催化過程中

57、，降解速率不變，可見催化過程中復(fù)合膜不存在消耗，或者消耗的量非常少，基本可以忽略。另外可見從圖中看出可見光下，復(fù)合膜的催化性遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于TiO2薄膜。</p><p>　　4.4 不同反應(yīng)物對光催化效率的差異及分析</p><p>　　考慮到TiO2薄膜作為一種催化劑，我們做出這樣的猜想：TiO2薄膜的光催化作用也具有其選擇性。從其他研究中也發(fā)現(xiàn)，在對TiO2薄膜改性以后，對不同反應(yīng)物催化效果

58、的改變不同。</p><p>　　我們利用兩組不同膜厚的TiO2薄膜分別對羅丹明和亞甲基藍(lán)在紫外和可見光下進(jìn)行光催化實(shí)驗(yàn)。得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4.5所示：</p><p>　　從上面的圖形也可以看出亞甲基藍(lán)的光催化性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于羅丹明。對于反應(yīng)物的影響，我們做出下面的兩種猜想：一是，首先分析TiO2薄膜光催化原理是由于受到光能的激發(fā)，產(chǎn)生了光生電子空穴對。而從量子理論可知，光能的激發(fā)只能是由于

59、吸收了光子的能量。而光子的能量是非連續(xù)的，也就是說只能吸收固定值得能量。而在能量釋放的時(shí)候由于能量守恒原理，也只能釋放固定的能量。再考慮氧化還原反應(yīng)，氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是舊的化學(xué)鍵的斷裂和新的化學(xué)鍵的形成。而化學(xué)鍵的斷裂與形成伴隨的是能量的獲得和釋放。由于在光激發(fā)過程中吸收和釋放的能量只能是固定值，所以我們猜想，在化學(xué)鍵斷裂和形成過程中的能量轉(zhuǎn)換也是固定的。也就是說這種催化反應(yīng)可能對某些化學(xué)鍵具有較強(qiáng)的親和性，優(yōu)先選擇某些固定的化學(xué)鍵進(jìn)

60、行反應(yīng)。第二種猜想便是，光催化反應(yīng)與反應(yīng)物中的某些元素有關(guān)，即該元素在反應(yīng)物中所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響光催化的主要因素。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　本次實(shí)驗(yàn)主要有如下幾點(diǎn)結(jié)論：</p><p>　?。?）納米銀二氧化鈦復(fù)合薄膜在可見光下具有催化性能，證明了銀沉積擴(kuò)展了二氧化鈦薄膜光催化光源波長區(qū)間。</p&

61、gt;<p>　?。?）不同膜厚的二氧化鈦薄膜的光催化性能不同，在一定范圍內(nèi)，膜厚越厚，光催化性能越好。</p><p>　　（3）不同厚度的銀膜光催化性能不同，并且并不是越厚越好，在厚度達(dá)到一定值之后，繼續(xù)增加厚度，光催化性能降低。</p><p>　?。?）對于不同的反應(yīng)物，相同膜片的光催化性能不同，可能是由于反應(yīng)物的化學(xué)鍵或元素含量不同導(dǎo)致。</p>&l

62、t;p><b>　　謝 辭</b></p><p>　　就要離開學(xué)校，感觸頗深。畢業(yè)設(shè)計(jì)持續(xù)了短短的一個(gè)多學(xué)期，每個(gè)人都為著自己的課題忙碌著，大家發(fā)揮著自己所有的聰明才智試圖做出有意義，有創(chuàng)新的結(jié)果。雖然我們現(xiàn)在的能力有限，能做到的可能也并不具有較強(qiáng)的實(shí)際意義。但是這是一種經(jīng)驗(yàn)積累的過程。在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，我感覺到，所謂的科研要有真正建設(shè)性的結(jié)果是一項(xiàng)龐大而復(fù)雜的工作，任何一個(gè)生活中

63、的實(shí)際問題都包含著許多復(fù)雜的變量，不是一個(gè)人的力量能夠完成的，需要許許多多人，甚至是許許多多代人的奮斗和努力。而我們要勇敢而毅然的接受我們只是這一段路途中的一環(huán)的現(xiàn)實(shí)。</p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計(jì)尤其要感謝方應(yīng)翠老師的大力支持和悉心指導(dǎo)。方老師治學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)致深深的影響著小組的每一個(gè)人。方老師對于學(xué)生們所誕生的新想法的包容和認(rèn)可也是令我們深深感動(dòng)的部分。</p><p>　　同時(shí)也要

64、感謝在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中指導(dǎo)和幫助我的張寬翔學(xué)長和洪流學(xué)長。他們對于我們十分耐心，細(xì)心的告訴我們實(shí)驗(yàn)的每個(gè)操作步驟，不厭其煩的給我們演示正確的操作。</p><p>　　還要感謝同組的各位同學(xué)，大家的合作十分重要也十分有意義。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 候亞奇，莊大明等.TiO2薄膜濺射工藝參數(shù)對其光

65、催化性的影響.清華大學(xué)機(jī)械工程系,2004.</p><p>　?。?］丁厚福 王立人.工程材料.武漢理工大學(xué)出版社,2001.8.</p><p>　　[3] 方克明.微米-納米材料微觀結(jié)構(gòu)表征.冶金工業(yè)出版社,2009.7.</p><p>　　[4] 崔玉民 張文保.二氧化鈦光催化薄膜.化學(xué)工業(yè)出版社,2011.7.</p><p>　

66、　[5] 陳春英.二氧化鈦納米材料生物效應(yīng)與安全應(yīng)用.科學(xué)出版社,2010.4.</p><p>　　[6] 趙婧，曾惠丹，楊云霞，趙崇軍，陳國榮.Ag／Ti02復(fù)合材料的制備和光致變色性能研究.光子學(xué)報(bào),2008.</p><p>　　[3] 袁頌東，曹小艷，王小波，石彪，汪金方.摻銀二氧化鈦納米帶的制備及其光催化性能研究.湖北工業(yè)大學(xué),2008.</p><p>

67、;　　[4] 國偉林，杜紅，王西奎.摻銀二氧化鈦的超聲化學(xué)法制備與光催化性能研究.濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào),2004.</p><p>　　[5] 張海祿，童仕唐，吳省.載銀二氧化鈦光催化性能的研究.應(yīng)用化學(xué),2003.</p><p>　　[6] 崔云濤，王金淑，李洪義，王珍珍.原位合成Ti02納米管陣列及其光催化性能研究.無機(jī)材料學(xué)報(bào),2008.</p><p>　　[7]

68、 李海龍，羅武林，田文宇等.鑲嵌Pt的二氧化鈦納米管的合成及其光催化性能研究.光譜學(xué)與光譜分析,2009.</p><p>　　[9] 李和興，朱建.特定結(jié)構(gòu)光催化劑的制備及其構(gòu)效關(guān)系.催化學(xué)報(bào),2008.</p><p>　　[10] Zhang Bo Zhong Zhaoping Fu Zongming Zhong Daoxu.Experimental studies 0n photo

69、catalytic oxidation of nitric oxides using tram um dioxiI1.Journal of Southeast Universi,2012.</p><p>　　[11] L. Gomathi Devi, K. Mohan Reddy.Photocatalytic performance of silver TiO2: Role of electronic ener