雙元素共摻雜TiO2薄膜的光催化及抗菌性能研究.pdf

1、隨著社會、經(jīng)濟的飛速發(fā)展，環(huán)境污染和能源危機日益嚴(yán)重，半導(dǎo)體光催化技術(shù)能解決環(huán)境污染，還可利用太陽能獲得電能以解決能源危機，因而受到人們的廣泛關(guān)注。TiO2半導(dǎo)體材料具有優(yōu)異的光催化性能，在治理環(huán)境污染與能源開發(fā)等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，TiO2的光催化活性主要存在兩大缺陷:(1)禁帶寬度較大，依賴紫外光，對太陽光的利用率低;(2)光生電子-空穴對在躍遷到TiO2表面的過程中容易發(fā)生復(fù)合，降低了光催化活性。本論文針對上述兩大缺陷，

2、對TiO2半導(dǎo)體進行改性，從而改善其光催化活性。
　　采用溶膠-凝膠法并結(jié)合旋涂法制備了銅鋅共摻雜TiO2薄膜與CNTs/Cu2+-TiO2復(fù)合薄膜，采用X射線衍射儀(XRD)、X射線光電子能譜儀(XPS)、場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)、紫外可見分光光度計(UV-vis)以及光催化降解亞甲基藍和抗菌測試等表征方法對制備的改性TiO2的微觀形貌、晶型結(jié)構(gòu)、光催化性能及抗菌性能進行了研究，得到如下結(jié)果:
　　(1)采用溶膠

3、-凝膠法制備了純TiO2薄膜，研究發(fā)現(xiàn)熱處理溫度對TiO2的晶型結(jié)構(gòu)以及光催化活性均有較大的影響。隨著熱處理溫度從300℃升高到700℃，TiO2薄膜從無定型態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殇J鈦礦型，結(jié)晶程度逐漸提高，晶型發(fā)育逐步完善;當(dāng)熱處理溫度達到600℃時，晶粒發(fā)育完全，薄膜平整致密，顆粒大小均勻，平均晶粒尺寸約為30nm，700℃出現(xiàn)團聚現(xiàn)象。通過光催化實驗得到本實驗條件下最佳催化劑用量為2ml，最佳熱處理溫度為600℃。
　　(2)采用硝酸銅為

4、銅源、硝酸鋅為鋅源制備了銅鋅共摻雜TiO2薄膜。XRD、SEM分析表明銅鋅共摻雜促進了TiO2相變，降低了晶型轉(zhuǎn)變溫度，同時抑制了TiO2晶粒的增長。
　?、賆PS分析表明，Zn以Zn2+形式存在，Zn2+、Cu2+摻雜使得Ti4+周圍的電子云密度增大，造成Ti2p軌道的結(jié)合能降低，部分Ti4+傳化為Ti3+，提高了光催化活性。
　　②UV-Vis分析表明，Cu2+摻雜使得TiO2薄膜的吸收帶邊發(fā)生紅移，拓展了薄膜的光譜響應(yīng)

5、范圍，使銅鋅共摻雜TiO2薄膜在紫外光下具有良好的光催化活性。最佳摻雜比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為Zn2+∶Cu2+∶TiO2=0.75∶0.4∶100，與純TiO2相比，其反應(yīng)速率常數(shù)提高了0.0025min-1。
　　③抗菌實驗表明，在紫外光的照射下，銅鋅共摻雜TiO2薄膜具有強效的抗菌效率，抗菌率達到99.89％，其中單摻雜也表現(xiàn)出良好的抗菌效率;在黑暗條件下純TiO2薄膜幾乎沒有抗菌效果，而銅鋅共摻雜TiO2薄膜的抗菌率達到84.61

6、％，表明TiO2必須依靠紫外光照才能激發(fā)光催化反應(yīng)進行殺菌，黑暗條件下主要依靠金屬離子起殺菌作用。
　　(3)采用溶膠凝膠法制備了CNTs/Cu2+-TiO2復(fù)合薄膜，XRD、SEM分析表明，CNTs的摻雜抑制了TiO2粒徑的增長，細化了晶粒;TiO2納米顆粒負載在CNTs表面，增大了TiO2薄膜的比表面積。
　?、賃V-Vis分析表明，CNTs的摻雜使TiO2復(fù)合薄膜的吸收帶邊發(fā)生明顯的紅移，降低了TiO2薄膜的禁帶寬度，