鈦基薄膜的制備及其光電催化性能研究.pdf

1、光催化技術(shù)作為一種高效、清潔的高級氧化技術(shù)是近年來備受矚目的一種水體污染物處理技術(shù)。在眾多可用于光催化反應(yīng)催化劑的半導(dǎo)體中，TiO2納米材料由于其無毒、催化活性高、化學(xué)性能穩(wěn)定、價格低廉等優(yōu)點成為最具工業(yè)化應(yīng)用前景的光催化劑材料之一。然而，現(xiàn)在普遍研究的TiO2懸浮體系存在催化劑分離困難、后處理費用高、難于回收使用等問題，限制了TiO2光催化劑在工業(yè)上的應(yīng)用。構(gòu)建TiO2膜作為催化劑的非均相降解體系則能有效的解決這些問題。但是，TiO2

2、的帶隙能決定其僅能接受紫外光激發(fā)，對太陽光利用率低;并且，TiO2固化成膜后存在比表面積小、薄膜容易脫落等缺點，嚴(yán)重影響鈦基薄膜材料的光催化效率。如何提高鈦基薄膜材料的可見光誘導(dǎo)的光催化效率以及探索一種簡單的制備性能穩(wěn)定的鈦基薄膜的方法，仍是現(xiàn)在研究者亟待解決的問題。
　　 本文以提高鈦基薄膜光催化效率為目的，一方面通過制備具有可見光響應(yīng)的非金屬摻雜的TiO2顆粒，并采用簡單的涂覆法制備了非金屬摻雜的TiO2薄膜電極，擴(kuò)展鈦基薄

3、膜對可見光的響應(yīng);另一方面優(yōu)化成膜工藝，如成膜過程中引入TiO2納米晶體制備不同粒徑的微納復(fù)合薄膜來促進(jìn)光在薄膜內(nèi)部的散射提高光利用效率，或者引入造孔劑增加薄膜比表面積;同時，構(gòu)建光電催化反應(yīng)體系和雙染料協(xié)同敏化反應(yīng)體系，通過提供適宜的外部環(huán)境，促進(jìn)鈦基薄膜的催化反應(yīng)效率。圍繞上述的內(nèi)容，本論文主要開展了以下幾個方面的工作:
　　 第一，通過溶膠-凝膠法制備包覆了碘單質(zhì)的孔穴結(jié)構(gòu)TiO2微米顆粒（I2-NVS TiO2顆粒）。將

4、I2-NVS TiO2顆粒與水熱法制備的TiO2納米晶體混合構(gòu)建了I2-NVS TiO2微米顆粒/TiO2納米晶微納復(fù)合薄膜（I2-TiO2薄膜）。并創(chuàng)新性的將這種薄膜材料應(yīng)用于光催化降解體系。為了增加薄膜的比表面積、薄膜與玻璃基底的粘附力，聚乙二醇(PEG)被引入到薄膜中做粘附劑和造孔劑。實驗結(jié)果表明:制備的I2-TiO2薄膜光催化效率明顯提高?？赏ㄟ^以下兩方面解釋這種性能的提高:一方面，包覆于薄膜中的碘能夠被可見光激發(fā)并對TiO2進(jìn)

5、行敏化，從而有效窄化了TiO2的禁帶寬度，使其能夠被可見光激發(fā)，提高對太陽光的利用率;另一方面，不同粒徑的顆粒使光在薄膜中發(fā)生了漫反射，延長光線傳輸路徑，從而提高了TiO2薄膜的光利用效率，進(jìn)而提高光催化活性。
　　 第二，通過對孔穴結(jié)構(gòu)TiO2顆粒制備方法進(jìn)行改進(jìn)，創(chuàng)新性的制備了包覆了碳的TiO2微米顆粒（C-NVS TiO2顆粒）。采用上面介紹的方法構(gòu)建了C-NVS WiO2微米顆粒/TiO2納米晶體微納復(fù)合薄膜(C-TiO

6、2薄膜)，并將其應(yīng)用在光催化降解領(lǐng)域。EDS、XPS、SEM、紫外-可見漫反射光譜等檢測手段被用來對薄膜的構(gòu)成、表面價態(tài)和形貌等性質(zhì)進(jìn)行表征。結(jié)果表明:碳元素并沒有摻雜進(jìn)TiO2顆粒的晶格中，而是以膠囊結(jié)構(gòu)的形式被包裹在WiO2顆粒的孔穴中;C-TiO2薄膜的光吸收帶明顯紅移，具有可見光催化活性;引入碳之后，薄膜可見光誘導(dǎo)的光催化降解效率明顯提高。
　　 第三，創(chuàng)新性的將I2-TiO2薄膜和C-TiO2薄膜應(yīng)用于光電催化降解體系

7、中，并對薄膜光電轉(zhuǎn)換效率、阻抗、帶隙能等光電性能進(jìn)行分析。結(jié)果表明:I2-TiO2薄膜和C-TiO2薄膜在400-600 nm的范圍內(nèi)光響應(yīng)能力與純TiO2薄膜相比明顯提高;引入非金屬摻雜元素之后的薄膜擁有更低的電子傳輸阻力、更高的光響應(yīng)能力和更負(fù)的導(dǎo)帶電位，從而擁有更高的光電催化效率。
　　 第四，通過對TiO2納米晶制備過程的改進(jìn)制備了碘摻雜的TiO2納米晶，構(gòu)建了碘摻雜的TiO2納米晶薄膜（I-TiO2薄膜），并將薄膜首次

8、應(yīng)用于雙染料協(xié)同敏化反應(yīng)體系中。結(jié)果表明，在羅丹明B/熒光素鈉雙元染料協(xié)同敏化下，I-TiO2薄膜對羅丹明B的降解效率是單染料體系的8倍;在羅丹明B/茜素紅雙元染料協(xié)同敏化下，I-TiO2納晶薄膜對羅丹明B的降解效率是單染料體系的5倍。另外，我們對雙染料協(xié)同降解反應(yīng)機(jī)理也進(jìn)行了討論。這樣一個融合了碘摻雜薄膜擴(kuò)展的可見光響應(yīng)能力、薄膜可循環(huán)使用以及雙染料協(xié)同效應(yīng)三重優(yōu)勢的反應(yīng)體系為鈦基薄膜的可見光催化處理廢水的發(fā)展指明了一個新的研究方向。