二氧化鈦復(fù)合薄膜的微結(jié)構(gòu)及光催化性能研究.pdf

1、二氧化鈦具有無毒，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，催化效率高，廉價(jià)易得等一系列優(yōu)良性能，因而被廣泛地應(yīng)用于光催化、仿生醫(yī)學(xué)、染料敏化太陽能電池等眾多領(lǐng)域。光催化氧化是在能量較高的紫外光照射下，材料表面能夠產(chǎn)生具有氧化還原能力的光生電子-空穴對(duì)，這些電子和空穴能夠與吸附在表面的水、氧氣發(fā)生一系列氧化還原反應(yīng)，生成氧自由基和羥基自由基，這些自由基能夠?qū)⒂袡C(jī)污染物降解為小分子的水和二氧化碳等無機(jī)物，其過程耗能低且清潔無污染，是極富前景的應(yīng)用方向。然而單純二氧化

2、鈦的禁帶寬度較大（銳鈦礦型TiO2禁帶寬度約為3.2eV），只有波長(zhǎng)小于387.5nm的紫外光才能激發(fā)其產(chǎn)生光催化性能。同時(shí)，由紫外光照射激發(fā)產(chǎn)生的光生電子-空穴極易復(fù)合，這兩個(gè)方面大大限制了二氧化鈦光催化劑的應(yīng)用。因此，提高二氧化鈦的光能利用率，降低光生電子-空穴的復(fù)合率，成為當(dāng)前材料工作者研究的重要任務(wù)。
　　本文通過構(gòu)建納米微疊層結(jié)構(gòu)、離子摻雜及表面酸化對(duì) TiO2進(jìn)行了改性，主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　1.納米微疊層薄膜

3、的制備及性能研究
　　本實(shí)驗(yàn)采用溶膠-凝膠法，分別選用鈦酸四丁酯、正硅酸乙酯及二水合醋酸鋅作為前驅(qū)體，制備了TiO2、SiO2及ZnO膠體。后利用浸漬提拉的方法在玻璃基底上制備出SiO2/TiO2、ZnO/TiO2納米微疊層薄膜。通過觀察薄膜對(duì)酸性品紅的降解效果，確定了SiO2/TiO2、ZnO/TiO2微疊層薄膜的最佳次序和最佳層數(shù)。根據(jù)摻雜改性后的微疊層薄膜對(duì)酸性品紅的降解效果確定了Co、F離子單摻、H3BO3表面處理的最佳濃

4、度及復(fù)合改性的最佳配比。利用最佳濃度和最佳配比的微疊層薄膜分別對(duì)甲基綠、土霉素和甲醛進(jìn)行降解。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：通過構(gòu)建納米微疊層結(jié)構(gòu)、離子摻雜、酸化處理及復(fù)合改性后薄膜的光催化性能有了明顯提高，對(duì)可見光的利用率增大。
　　2.納米微疊層薄膜的表征
　　采用紫外-可見分光光度計(jì)(UV-vis)、熒光發(fā)射光譜儀(PL)、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)、X射線衍射儀(XRD)、差熱-熱重分析儀(DTA-TG)等手段對(duì)微疊層薄膜進(jìn)行了

5、一系列的光吸收行為和表面結(jié)構(gòu)的表征。UV-vis和PL結(jié)果表明微疊層薄膜及摻雜改性后的微疊層薄膜對(duì)可見光的利用率明顯提高而且光生電子-空穴的復(fù)合率也有一定程度的降低。FE-SEM結(jié)果顯示微疊層薄膜有明顯的層狀結(jié)構(gòu)，摻雜改性后粒徑分布均勻、表面平整。從XRD及DTA-TG結(jié)果可以看出摻雜改性抑制了銳鈦礦相TiO2的晶相變化，金紅石及板鈦礦相明顯減少。
　　3.光催化機(jī)理的探討
　　通過構(gòu)建納米微疊層結(jié)構(gòu)，提高了薄膜的光催化性能

6、，明顯拓寬了其對(duì)可見光的響應(yīng)范圍。主要是由于層與層之間的界面效應(yīng)所產(chǎn)生的靜電場(chǎng)作用使得光生電子-空穴能夠有效地分離；同時(shí) SiO2作為具有大比表面積的絕緣體，對(duì)光生電子-空穴的傳輸作用明顯，有效延長(zhǎng)了光生載流子的壽命。ZnO作為n型半導(dǎo)體，其自身具有光催化能力，經(jīng)光照射后，能夠產(chǎn)生具有氧化還原能力的光生載流子；另外，ZnO與 TiO2能夠形成交錯(cuò)能級(jí)，在一定程度上降低了 TiO2的帶隙能，提高了其光催化性能。離子表面摻雜則具有以下三個(gè)方