ZrO-,2-摻雜TiO-,2-納米光催化薄膜的制備及其性能研究.pdf

1、在光催化降解有機(jī)物方面，TiO2是最具有代表性的光催化材料之一。TiO2吸收了一定能量的光子后，價(jià)帶電子受激發(fā)進(jìn)入導(dǎo)帶，形成了具有強(qiáng)氧化性和強(qiáng)還原性的空穴—電子對(duì)，從而表現(xiàn)出光催化活性。制備負(fù)載型TiO2薄膜是解決顆粒狀TiO2催化劑難回收、易凝聚和二次污染等問(wèn)題的有效方法之一，但是由于純TiO2薄膜對(duì)自然光的利用率不高、化學(xué)穩(wěn)定性差以及易磨損等缺點(diǎn)，限制了其在實(shí)際生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用。本項(xiàng)研究討論了各項(xiàng)工藝參數(shù)與薄膜的光催化效率和薄膜硬

2、度的關(guān)系，這對(duì)今后進(jìn)一步研制耐磨光催化薄膜具有重要意義。 本研究采用溶膠—凝膠法分別制備了TiO2溶膠和ZrO2溶膠，用混膠法制備了復(fù)合溶膠，并用溶膠—凝膠浸漬提拉法制備了負(fù)載型光催化薄膜。制備工藝簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)。通過(guò)不同條件下制備的薄膜的各項(xiàng)性能的對(duì)比，得出了最佳工藝參數(shù)。 利用納米粒度分析儀和X射線衍射儀對(duì)溶膠的粒度、顆粒尺寸分布以及晶粒大小和晶型轉(zhuǎn)變進(jìn)行了考察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)溶膠濃度對(duì)粒度分布影響不大，溶膠性質(zhì)穩(wěn)定，顆

3、粒粒度分布比較集中，大多數(shù)都在40nm以下。PEG的加入有利于顆粒的分散；ZrO2的摻雜能夠延遲TiO2晶相轉(zhuǎn)變溫度，而且能夠有效抑制晶粒的長(zhǎng)大。 利用掃描探針顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)薄膜的表面形貌進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)PEG的添加有利于薄膜表面顆粒的分散，能形成均勻分布的氣孔，適當(dāng)增加薄膜表面的粗糙度；ZrO2的加入能抑制晶粒的長(zhǎng)大，而且使顆粒形貌發(fā)育得更加完善。結(jié)合TG-DSC和XRD曲線分析了熱處理過(guò)程中有機(jī)物分解情況和晶型轉(zhuǎn)變

4、情況，從而制定了合理的溫度制度。 通過(guò)對(duì)ZrO2薄膜的XRD分析，發(fā)現(xiàn)，本實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛑频梅€(wěn)定的四方相ZrO2，而且利用紫外—可見(jiàn)光光譜分析方法證明了ZrO2的摻雜使TiO2薄膜的吸收邊帶紅移，這就提高光催化劑薄膜的可見(jiàn)光的利用率。 通過(guò)光催化實(shí)驗(yàn)，討論了ZrO2、表面活性劑PEG的含量、熱處理溫度、光強(qiáng)度對(duì)光催化效率的影響。隨著PEG和ZrO2含量的增加，薄膜的光催化效率先升高后降低，這是由薄膜的表面形貌和電子—空穴分離的

5、效率決定的。對(duì)于確定的光源，光強(qiáng)度越大，光催化體系吸收的光子越多，越有利于光催化反應(yīng)的進(jìn)行。 對(duì)于光催化薄膜的耐磨性的研究還很少有見(jiàn)報(bào)道，本實(shí)驗(yàn)對(duì)薄膜的硬度進(jìn)行了初步探討，發(fā)現(xiàn)，合理的組成材料，適當(dāng)組分的相對(duì)含量有利于薄膜硬度的提高。ZrO2作為機(jī)械強(qiáng)度高，耐磨性能好，硬度大的常用的力學(xué)性能良好的材料與TiO2復(fù)合不僅提高了薄膜的光催化效率，還大大的增加了薄膜的硬度。結(jié)合本實(shí)驗(yàn)工藝，薄膜的硬度并不是按ZrO2含量的增加而遞增，而