大氣壓介質(zhì)阻擋放電冷等離子體合成納米晶TiO-,2-的研究.pdf

1、銳鈦礦相TiO<,2>是一種用途廣泛的材料，如在半導體光催化、染料敏化的太陽能電池、自清潔等方面具有重要應用。在這些實際應用中，需使用TiO<,2>薄膜而非其粉體。若在熱敏或不耐熱的基底材料(如有機聚合物、織物等)上制備TiO<,2>薄膜，則必需低溫制備方法。冷等離子體化學氣相沉積是一種非常合適的低溫型制備方法，但大多需要復雜的放電裝置和真空系統(tǒng)。介質(zhì)阻擋放電是一種裝置簡單、能耗低，并可在大氣壓下產(chǎn)生冷等離子體的放電方式，本文開展了將其

2、應用于合成銳鈦礦相納米晶TiO<,2>的研究，取得了如下結(jié)果： 1．采用體相介質(zhì)阻擋放電，在大氣壓和低溫下，以TICl<,4>和O<,2>為鈦源和氧源，首次一步合成出銳鈦礦相納米晶TiO<,2>，并考察了供氧方式、TiCl<,4>與O<,2>摩爾比(R<,TiCl4/O2>)及放電功率對合成納米晶TiO<,2>的影響。 相同條件下，采用分流供氧方式可獲得高結(jié)晶度的納米銳鈦礦相TiO<,2>，而采用混合供氧方式獲得的主要是

3、無定型 TiO<,2>。分流供氧方式的發(fā)射光譜中，可觀測到非常強的Ar 原子(4p→4s電子躍遷)、Ti原子譜線；而混合供氧方式的發(fā)射光譜中，只觀測到比較弱的Ar原子(4p→4s電子躍遷)譜線。 納米晶 TiO<,2>的銳鈦礦相特征峰A(101)強度隨R<,TiCl4/O2>值呈峰形變化，該結(jié)果與發(fā)射光譜測得的Ar、Ti原子譜線強度隨R<,TiCl4/O2>值的變化規(guī)律是完全一致的。 XRD、SAED、TEM 表征結(jié)果表

4、明，隨著放電功率的提高，TiO<,2>的結(jié)晶度逐漸提高，納米粒子的粒徑逐漸減小。另外，EDX的結(jié)果表明，結(jié)晶度高的樣品中殘留Cl較少。 質(zhì)譜在線檢測表明，合成納米晶TiO<,2>的等離子體反應穩(wěn)定進行，前驅(qū)體 TiCl<,4>可被完全轉(zhuǎn)化，氣相主要產(chǎn)物是氯氣。 2．發(fā)展出一種適應于制備多孔載體負載的納米晶 TiO<,2>光催化劑的“吸附-放電”方法，即在載體填充的介質(zhì)阻擋放電反應器中，先使TiCl<,4>吸附在載體上，然

5、后吸附態(tài)TiCl<,4>被等離子體氧化。如此“吸附-放電”循環(huán)。 采用“吸附-放電”方法，成功地制備出具有高的光催化活性和性能穩(wěn)定的負載型納米晶 TiO<,2>/γ-Al<,2>O<,3>光催化劑。本實驗條件下，采用 6 次“吸附-放電”循環(huán)時，所制備的光催化劑活性最高。 質(zhì)譜對等離子體氧化吸附態(tài) TiCl<,4>氣相產(chǎn)物的在線檢測表明，整個放電階段未檢測到有關TiCl<,4>的質(zhì)譜信號，氣相氧化產(chǎn)物Cl<,2>的質(zhì)譜信

6、號隨放電時間呈峰形變化，放電階段結(jié)束時吸附態(tài) TiCl<,4>基本上全部被氧化。發(fā)射光譜研究表明，等離子體氧化吸附態(tài)TiCl<,4>過程中，O 原子的譜峰(777.0 nm，3<'5>p→3<'5>S)基本消失，Ar原子的譜峰(772.4 nm，4<'2>P<,1/2>→4<'2>S<,1/2>；794.8 nm，4<'2>p<,3/2>→4<'2>S<,3/2>)顯著減弱；當吸附態(tài)TiCl<,4>完全消耗后，O和Ar原子的這些譜峰又恢

7、復到原有強度。 3.采用共面式介質(zhì)阻擋放電，探索了一種大氣壓冷等離子體化學氣相沉積制備納米晶TiO<,2>薄膜的新方法。本方法適應于各種材質(zhì)的基體，尤其適應于不耐熱的基體材料。 采用本方法，在常溫常壓下首次成功地制備出納米晶 TiO<,2>薄膜。SEM和AFM對TiO<,2>薄膜形貌的觀測結(jié)果表明，薄膜由尺度均一(20～25 nm)的納米球狀粒子組成，薄膜表面平整光滑，表面粗糙度的RMS值為0.42 nm。另外，斷面SE

8、M圖片顯示TiO<,2>薄膜與基底緊密結(jié)合，二者之間沒有明顯的界面。劃痕試驗的進一步測試表明，TiO<,2>薄膜與基底結(jié)合牢固，臨界載荷約為 27 N。UV-Vis 吸收光譜研究表明，TiO<,2>薄膜對可見光具有高透過性，70 nm 厚的膜約能透過92％的可見光；但對紫外光具有很強的吸收性，薄膜中TiO<,2>的帶隙能量約為3.3 eV。HRTEM 給出的清晰可辨的晶格衍射條紋及SAED顯示的明亮的衍射斑點，證實了本方法在常溫常壓下制