納米二氧化鈦薄膜的構(gòu)建及其光催化性能研究.pdf

1、二氧化鈦作為一種高效率、低毒害、價廉的光催化劑，受到越來越多的人們的關(guān)注，并在近年來取得了很大的研究進(jìn)展。二氧化鈦能夠在能量較高的紫外光的照射下激發(fā)，產(chǎn)生光生電子—空穴對，這一些電子和空穴具有極強的氧化還原性，它們能夠和二氧化鈦表面所吸附的水、氧氣以及有機污染物發(fā)生一系列的氧化還原反應(yīng)。通過這些反應(yīng)，二氧化鈦表面所吸附的有機污染物最終會被降解為無毒的小分子，例如CO2、H2O等。但是，二氧化鈦在日常生活中的應(yīng)用受到兩個因素影響。其一，二

2、氧化鈦的禁帶寬度比較大（銳鈦礦禁帶寬度約為3.2eV），需要用紫外光照射才能夠激發(fā)產(chǎn)生光電子和空穴，然而紫外光在太陽光所占的比例卻是非常小的。另外，二氧化鈦通過紫外光激發(fā)產(chǎn)生的光生電子—空穴對非常地活潑極易復(fù)合，這同樣影響著二氧化鈦的光催化活性。因此，如何擴寬二氧化鈦的光響應(yīng)范圍，降低光生電子和空穴的復(fù)合率，成為提高二氧化鈦光催化性能和拓寬其應(yīng)用范圍的一個重點問題。
　　 為了解決上述問題，需要對二氧化鈦進(jìn)行改性。目前，二氧化鈦

3、的改性方法有很多種，在本文中主要采用離子表面摻雜、離子梯度摻雜和二氧化硅改性這三種方法對其進(jìn)行改性。離子摻雜改性不但可以擴寬二氧化鈦的光響應(yīng)范圍，而且可以抑制光生電子和空穴的復(fù)合率，從而提高二氧化鈦的光催化活性。離子的梯度摻雜可以通過改變摻雜離子的濃度分布，使光生電子空穴更容易轉(zhuǎn)移到表面進(jìn)行催化反應(yīng)，同時也可以防止因表面摻雜離子過多而導(dǎo)致的負(fù)面影響。二氧化硅改性可以增大復(fù)合材料的比表面積，增大孔體積，同時能夠提高銳鈦礦的熱穩(wěn)定性，這些均

4、有利于提高二氧化鈦的光催化活性。本文摻雜所用的離子包括金屬離子Ag、Co、Ce和非金屬離子B，通過對比它們單獨摻雜、共摻雜和梯度摻雜的復(fù)合薄膜對染料的降解情況，來研究其光催化反應(yīng)的機理。
　　 論文的研究工作主要包括以下幾個方面:
　　 (1)復(fù)合薄膜的制備及性能研究
　　 本實驗所用的TiO2膠體和SiO2膠體均采用溶膠—凝膠法制備，其相應(yīng)的復(fù)合薄膜采用浸漬提拉法在玻璃基底上制成。根據(jù)摻雜改性后的TiO2薄膜對

5、染料的降解情況，來確定Ag、Co、Ce、B離子單獨摻雜的最佳濃度及共摻雜的最佳配比，并依據(jù)所得最佳濃度或配比，來確定疊層薄膜和梯度摻雜對光催化活性的影響情況。通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，將上述幾種離子共摻雜之后，復(fù)合微疊層薄膜或梯度摻雜薄膜的光催化性能有了很大的提高，并且復(fù)合薄膜的光響應(yīng)范圍增大。
　　 (2)復(fù)合薄膜的表征
　　 本實驗使用了紫外—可見分光光度計(UV-vis)、差熱—熱重分析儀(DTA-TG)、X射線衍射儀(X

6、RD)、場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)、熒光光譜儀(PL)、氮氣吸附-脫附儀(BET)等手段，對復(fù)合薄膜的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了表征和探索，并對改性后的反應(yīng)機制進(jìn)行了一定的探討。在TiO2的各種晶型中，只有銳鈦礦具有光催化活性。實驗結(jié)果表明，如果只進(jìn)行離子摻雜，金紅石及板鈦礦的含量明顯的減少，銳鈦礦含量增加并且峰型更加明顯;而當(dāng)有SiO2加入到材料中后，金紅石和板鈦礦則會全部消失，表現(xiàn)出單一的銳鈦礦型。另外，無論離子的摻雜改性或是SiO2

7、的改性，都可以減輕TiO2薄膜的表面團聚現(xiàn)象，使其表面變得平整，粒徑分布均勻，并且還可以使材料的比表面積增大，孔徑增大。
　　 (3)光催化機理的探討
　　 對TiO2薄膜進(jìn)行離子摻雜改性后，其光催化性能得到顯著提高，可以推測出摻雜離子后，二氧化鈦結(jié)構(gòu)的發(fā)生了變化，從而影響了薄膜的光催化性能。對TiO2進(jìn)行離子摻雜時，摻雜的離子可以進(jìn)入TiO2的晶格中，引起晶格畸變，從而可以生成更多電子空穴。另外，摻雜的離子還可以在Ti

8、O2的表而成為電子的吸附位點，阻礙光生電子和空穴的復(fù)合。對于梯度摻雜的薄膜，則是因為摻雜離子濃度在薄膜內(nèi)的梯度排布，使光生電子空穴更容易遷移到薄膜表面進(jìn)行催化反應(yīng)，同時這樣也能充分利用摻雜離子，不會使過多離子聚集在薄膜表面，成為光生電子空穴的復(fù)合中心，影響光催化反應(yīng)速率。而微疊層薄膜所表現(xiàn)出的優(yōu)異的光催化活性主要是因為層與層之間的界面效應(yīng)抑制了電子和空穴的復(fù)合，同時加入的SiO2可以為材料提供更大的比表面積，使材料的光催化活性更進(jìn)一步得