反應(yīng)時(shí)間對(duì)水熱合成TiO2薄膜微結(jié)構(gòu)及性能的影響.pdf

1、二氧化鈦(TiO2)是一種非常重要的寬帶隙半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)越的光電性能和物理特性，并在光催化、染料敏化太陽(yáng)能電池、水分離、自清潔領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用前景。在這些應(yīng)用中形貌的影響尤為重要，因此制備不同形貌的二氧化鈦并研究其各方面性能成為目前的研究熱點(diǎn)。
　　本文采用水熱法制備TiO2薄膜，通過(guò)控制反應(yīng)時(shí)間來(lái)制備具有不同的表面形貌的TiO2薄膜。本文利用X射線衍射儀(XRD)、X射線光電子能譜儀(XPS)、超景深3D顯微鏡（3D d

2、igital microscope）、掃描電鏡(SEM)、激光顯微共聚焦拉曼光譜儀、紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV-Vis)等來(lái)測(cè)試分析薄膜的微結(jié)構(gòu)、組分及化學(xué)狀態(tài)、表面形貌、光致發(fā)光譜、拉曼光譜和紫外可見(jiàn)透射譜等。以甲基橙溶液作為模擬污染物，研究薄膜光催化活性。全面系統(tǒng)地研究水熱反應(yīng)時(shí)間對(duì)薄膜的微結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)成分及其價(jià)態(tài)、表面形貌、光致發(fā)光譜、拉曼光譜、紫外可見(jiàn)透射譜及其光學(xué)帶隙、光催化活性等的影響。主要結(jié)論如下:
　　不同反應(yīng)時(shí)間

3、制備的TiO2薄膜里有板鈦礦相和銳鈦礦相，隨著反應(yīng)時(shí)間的增大板鈦礦相逐漸減少，銳鈦礦相逐漸增多。此外，反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些水熱中間產(chǎn)物的雜相。組分及化學(xué)狀態(tài)分析結(jié)果表明:薄膜表面鈦氧原子比Ti∶O為1∶2.28，主要成分可認(rèn)為是TiO2。形貌分析結(jié)果表明:當(dāng)水熱反應(yīng)時(shí)間較短時(shí)，薄膜呈無(wú)規(guī)則結(jié)構(gòu)，增加反應(yīng)時(shí)間薄膜開(kāi)始具有一定的幾何形狀，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間增大到6h時(shí)，薄膜呈雜亂無(wú)章的一維納米線結(jié)構(gòu)，到12h和24h時(shí)，薄膜出現(xiàn)分級(jí)結(jié)構(gòu)，底層為

4、多孔結(jié)構(gòu)，表層分別為二維片層狀結(jié)構(gòu)和三維類堅(jiān)果狀結(jié)構(gòu)。PL譜分析結(jié)果表明:不同時(shí)間制備的TiO2薄膜的本征發(fā)光均被抑制，但在可見(jiàn)光區(qū)域有較強(qiáng)的發(fā)光譜帶，這可能是與帶內(nèi)缺陷能級(jí)和界面態(tài)的電子躍遷有關(guān)。Raman光譜結(jié)果顯示:反應(yīng)時(shí)間1h、2h的樣品中板鈦礦的拉曼振動(dòng)峰比較明顯，3h的樣品開(kāi)始出現(xiàn)銳鈦礦拉曼峰，4h、6h、12h、24h的銳鈦礦拉曼峰比較明顯。由此可見(jiàn)隨著反應(yīng)時(shí)間的增大，薄膜的板鈦礦相逐漸減少，銳鈦礦相逐漸增多，和前面XRD

5、結(jié)論一致。紫外吸收光譜結(jié)果表明:薄膜的平均吸收系數(shù)隨反應(yīng)時(shí)間變化比較大，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間從1h增加到4h時(shí)，薄膜的平均吸收系數(shù)逐漸從1.097減小到0.516，反應(yīng)時(shí)間為6h時(shí)平均吸收系數(shù)急劇增大到0.955，繼續(xù)增大反應(yīng)時(shí)間到24h，薄膜的平均吸收系數(shù)降低至0.731后增加到0.861。此外，我們可由吸收光譜計(jì)算樣品的禁帶寬度，結(jié)果顯示禁帶寬度是隨著反應(yīng)時(shí)間的增加而逐漸增大的。并且4h及之前的樣品禁帶寬度數(shù)值均介于板鈦礦與銳鈦礦數(shù)值之間，更

6、進(jìn)一步說(shuō)明隨著反應(yīng)時(shí)間的增大，薄膜的板鈦礦相逐漸減少，銳鈦礦相逐漸增多。光催化結(jié)果顯示:隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，薄膜的降解效率和表觀反應(yīng)速率常數(shù)都是先降低再升高后降低的。其中反應(yīng)6h的樣品降解效率最高，表觀反應(yīng)速率常數(shù)最大，未來(lái)有望作為一種比較好的光催化劑來(lái)降解有機(jī)污染物。
　　本學(xué)位論文的創(chuàng)新點(diǎn)在于:
　　1、系統(tǒng)的研究了水熱反應(yīng)時(shí)間對(duì)TiO2薄膜微結(jié)構(gòu)、表面形貌、各項(xiàng)性能的影響，為尋找最優(yōu)的工藝參數(shù)工作打下基礎(chǔ)。