納米二氧化鈦復合薄膜的制備及性能研究.pdf

1、進入21世紀，有毒難降解有機污染物（如鹵代物、二惡英、農藥、染料等）引起的環(huán)境問題已成為影響人類生存與健康的重大問題?，F有環(huán)境技術很難處理這些污染物，而利用光催化方法降解這些有機污染物已成為國際上最有應用潛力、研究最活躍的領域之一。
　　 光催化降解是指有機污染物在光照下通過催化劑實現分解。光催化劑是光催化過程的關鍵部分，它的光催化活性和固定化方式是這項新技術能否實用化的兩個決定性因素。目前用于光催化降解環(huán)境污染物的催化劑多為N

2、型半導體，如TiO2、 ZnO、CdS、SnO2、Fe2O3等，其中TiO2因廉價、無毒、化學穩(wěn)定性好，紫外光照下活性高等優(yōu)點倍受青睞。TiO2作為光催化劑進行光催化的反應機理是：當波長λ＜387 nm的光（紫外光）照射在TiO2表面時，價帶上的電子即獲得光子的能量而躍遷至導帶，形成光生電子和空穴，經過一系列反應最終生成活性的羥基自由基(·OH)把難降解的有機物氧化為CO2和H2O等無機物。然而，光生電子和空穴極易復合，并且波長λ＜38

3、7 nm的光只占太陽光的約5％，嚴重影響了太陽光的利用率及光催化性能。
　　 為了彌補TiO2的上述缺陷，提高其光催化性能，并拓寬TiO2對光的吸收范圍，需要對TiO2進行表面改性研究。金屬離子摻雜改性是比較成熟的一種研究方法，其中以過渡金屬離子摻雜的研究居多。然而，大多數研究者通常的做法是在TiO2溶膠中直接摻雜金屬離子，即內摻法。這種做法的不足之處是對金屬離子的利用率比較低，部分離子需要從體相擴散到表面才能起到應有的作用，期

4、間部分光生電子和空穴有可能復合。針對這些問題，本研究采用外摻法和過渡金屬-稀土金屬共摻雜兩種方法，來提高TiO2薄膜的光催化降解效率。
　　 實驗證明，通過上述兩種方法的改進，有效提高了TiO2的光催化效率，并為TiO2光催化薄膜的實用化提供了新的途徑。
　　 論文主要工作包括以下幾個方面：
　　 1) TiO2溶膠的制備及影響因素研究
　　 本實驗采用鈦酸四丁酯為鈦源，常溫下制備TiO2膠體。討論了工藝

5、上各因素（物質成份的比例、陳化時間、焙燒溫度、焙燒時間、光照時間）對于制備溶膠的結構和性能的重要影響。得出的最佳實驗條件是：陳化時間3天；焙燒溫度450℃，焙燒時間1h；光照時間45min。
　　 2) TiO2薄膜的性能研究。
　　 過渡金屬-稀土金屬共摻雜改性的報道不多，共摻雜薄膜的光譜性能研究也較少。本研究選取易降解染料酸性品紅、甲基綠和難降解染料萘酚綠B為降解目標，分別考察過渡金屬離子Fe3+、Ag+及稀土金屬離

6、子La3+、Ce3+對給定濃度染料的降解情況，尋求其最佳摻雜濃度。在此基礎上，研究過渡金屬離子-稀土金屬離子共摻雜對有機染料的降解情況。實驗結果表明：Fe3+、Ag+、La3+、Ce3+均存在最佳摻雜濃度，過渡金屬離子-稀土金屬離子共摻雜的光催化活性高于任何單獨離子的摻雜。其動力學表現為相同時間段內共摻離子薄膜的光催化降解率提高的更快，速率曲線的斜率最大。薄膜的光吸收實驗表明改性復合薄膜可以拓寬光譜響應范圍，這為納米智能薄膜的應用提供了

7、重要參考。
　　 3) TiO2復合薄膜的表征。
　　 采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡( FE-SEM)、X射線衍射儀(XRD)、能譜儀(EDS)、氮氣吸附-脫附裝置(BET)等表征手段對所制備的復合薄膜進行了表征。結果表明：所制備的TiO2納米薄膜表面較致密，有輕微團聚現象；粒子的粒徑在10nm以內，具有介孔或微孔結構；以銳鈦礦為主要晶型。摻雜改性使得TiO2薄膜的表面更致密，團聚度變??；粒徑更細小且呈現均勻的形狀；金紅石相