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，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），只有波長小于387.5nm的紫外光才能激發(fā)其產(chǎn)生光催化性能。同時，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 TiO2進(jìn)行了改性，主要研究內(nèi)容如下：
　　1.納米微疊層薄膜

3、的制備及性能研究
　　本實驗采用溶膠-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甲基綠、土霉素和甲醛進(jìn)行降解。實驗結(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(UV-vis)、熒光發(fā)射光譜儀(PL)、場發(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)生的靜電場作用使得光生電子-空穴能夠有效地分離；同時 SiO2作為具有大比表面積的絕緣體，對光生電子-空穴的傳輸作用明顯，有效延長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能夠形成交錯能級，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方