納米二氧化鈦復(fù)合薄膜的制備及性能研究.pdf

1、進(jìn)入21世紀(jì)，有毒難降解有機(jī)污染物（如鹵代物、二惡英、農(nóng)藥、染料等）引起的環(huán)境問題已成為影響人類生存與健康的重大問題。現(xiàn)有環(huán)境技術(shù)很難處理這些污染物，而利用光催化方法降解這些有機(jī)污染物已成為國際上最有應(yīng)用潛力、研究最活躍的領(lǐng)域之一。
　　 光催化降解是指有機(jī)污染物在光照下通過催化劑實(shí)現(xiàn)分解。光催化劑是光催化過程的關(guān)鍵部分，它的光催化活性和固定化方式是這項(xiàng)新技術(shù)能否實(shí)用化的兩個決定性因素。目前用于光催化降解環(huán)境污染物的催化劑多為N

2、型半導(dǎo)體，如TiO2、 ZnO、CdS、SnO2、Fe2O3等，其中TiO2因廉價、無毒、化學(xué)穩(wěn)定性好，紫外光照下活性高等優(yōu)點(diǎn)倍受青睞。TiO2作為光催化劑進(jìn)行光催化的反應(yīng)機(jī)理是：當(dāng)波長λ＜387 nm的光（紫外光）照射在TiO2表面時，價帶上的電子即獲得光子的能量而躍遷至導(dǎo)帶，形成光生電子和空穴，經(jīng)過一系列反應(yīng)最終生成活性的羥基自由基(·OH)把難降解的有機(jī)物氧化為CO2和H2O等無機(jī)物。然而，光生電子和空穴極易復(fù)合，并且波長λ＜38

3、7 nm的光只占太陽光的約5％，嚴(yán)重影響了太陽光的利用率及光催化性能。
　　 為了彌補(bǔ)TiO2的上述缺陷，提高其光催化性能，并拓寬TiO2對光的吸收范圍，需要對TiO2進(jìn)行表面改性研究。金屬離子摻雜改性是比較成熟的一種研究方法，其中以過渡金屬離子摻雜的研究居多。然而，大多數(shù)研究者通常的做法是在TiO2溶膠中直接摻雜金屬離子，即內(nèi)摻法。這種做法的不足之處是對金屬離子的利用率比較低，部分離子需要從體相擴(kuò)散到表面才能起到應(yīng)有的作用，期

4、間部分光生電子和空穴有可能復(fù)合。針對這些問題，本研究采用外摻法和過渡金屬-稀土金屬共摻雜兩種方法，來提高TiO2薄膜的光催化降解效率。
　　 實(shí)驗(yàn)證明，通過上述兩種方法的改進(jìn)，有效提高了TiO2的光催化效率，并為TiO2光催化薄膜的實(shí)用化提供了新的途徑。
　　 論文主要工作包括以下幾個方面：
　　 1) TiO2溶膠的制備及影響因素研究
　　 本實(shí)驗(yàn)采用鈦酸四丁酯為鈦源，常溫下制備TiO2膠體。討論了工藝

5、上各因素（物質(zhì)成份的比例、陳化時間、焙燒溫度、焙燒時間、光照時間）對于制備溶膠的結(jié)構(gòu)和性能的重要影響。得出的最佳實(shí)驗(yàn)條件是：陳化時間3天；焙燒溫度450℃，焙燒時間1h；光照時間45min。
　　 2) TiO2薄膜的性能研究。
　　 過渡金屬-稀土金屬共摻雜改性的報道不多，共摻雜薄膜的光譜性能研究也較少。本研究選取易降解染料酸性品紅、甲基綠和難降解染料萘酚綠B為降解目標(biāo)，分別考察過渡金屬離子Fe3+、Ag+及稀土金屬離

6、子La3+、Ce3+對給定濃度染料的降解情況，尋求其最佳摻雜濃度。在此基礎(chǔ)上，研究過渡金屬離子-稀土金屬離子共摻雜對有機(jī)染料的降解情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：Fe3+、Ag+、La3+、Ce3+均存在最佳摻雜濃度，過渡金屬離子-稀土金屬離子共摻雜的光催化活性高于任何單獨(dú)離子的摻雜。其動力學(xué)表現(xiàn)為相同時間段內(nèi)共摻離子薄膜的光催化降解率提高的更快，速率曲線的斜率最大。薄膜的光吸收實(shí)驗(yàn)表明改性復(fù)合薄膜可以拓寬光譜響應(yīng)范圍，這為納米智能薄膜的應(yīng)用提供了

7、重要參考。
　　 3) TiO2復(fù)合薄膜的表征。
　　 采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡( FE-SEM)、X射線衍射儀(XRD)、能譜儀(EDS)、氮?dú)馕?脫附裝置(BET)等表征手段對所制備的復(fù)合薄膜進(jìn)行了表征。結(jié)果表明：所制備的TiO2納米薄膜表面較致密，有輕微團(tuán)聚現(xiàn)象；粒子的粒徑在10nm以內(nèi)，具有介孔或微孔結(jié)構(gòu)；以銳鈦礦為主要晶型。摻雜改性使得TiO2薄膜的表面更致密，團(tuán)聚度變??；粒徑更細(xì)小且呈現(xiàn)均勻的形狀；金紅石相