摻雜二氧化鈦納米顆粒膜的制備及其可見光催化特性和機(jī)理研究.pdf

1、二氧化鈦具備無毒害性和長期的穩(wěn)定性，成為光催化材料的研究熱點(diǎn)。但是由于二氧化鈦的吸收邊小于380 nm，因此只能在紫外光的照射下發(fā)生光催化作用，無法充分利用廉價的太陽能而增加了使用成本，影響了它的應(yīng)用推廣。近年來，理論和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，非金屬摻雜的TiO<,2>，特別是摻氮TiO<,2>，在可見區(qū)域的光學(xué)吸收會有明顯的增強(qiáng)，因此極大地提高了使用太陽光進(jìn)行光催化反應(yīng)的效率，使其成為光催化反應(yīng)的理想材料，因而得到了廣泛的關(guān)注。 本文的

2、主要工作是分別用脈沖激光沉積(PLD)，離子注入和煅燒等方法，制備了摻氮濃度較高、可見光催化效率較好的摻氮氧化鈦納米顆粒膜。分別用原子力顯微鏡(AFM)，表面輪廓儀，拉曼光譜(Raman)，X射線光電子能譜(XPS)，紫外一可見光分光光度計(jì)(UV-Vis)等手段對摻氮氧化鈦納米顆粒膜進(jìn)行了表征。重點(diǎn)研究了薄膜的吸收光譜和光催化特性，并探討了摻氮的形式和氮?dú)涔矒诫s對可見光催化活性的影響。同時結(jié)合理論計(jì)算的結(jié)果，對摻氮和氮?dú)涔矒诫s氧化鈦的能

3、帶結(jié)構(gòu)和可見光吸收機(jī)理進(jìn)行討論。主要結(jié)果如下： 1．利用激光燒蝕成膜(PLD)方法分別在O<,2>，N<,2>/O<,2>和NH<,3>/N<,2>O<,2>混合氣體的氣氛下，合成了純TiO<,2>和摻氮TiO<,2>納米顆粒膜。通過對激光燒蝕等離子體的光譜診斷，發(fā)現(xiàn)加入少量氨氣能有效促進(jìn)氮?dú)饨怆x，對于提高TiO<,2>的摻氮量有很好的促進(jìn)作用。對薄膜的表征結(jié)果表明，在我們使用的制備參數(shù)條件下，PLD方法制備的TiO<,2>納米

4、顆粒膜均為銳鈦礦相結(jié)構(gòu)，顆粒大小分布為20-40 nm，在N<,2>/O<,2>和 NH<,3>/N<,2>/O<,2>中制備的薄膜氮含量分別為2.0％和4.4％，都具有可見光催化能力。其中，在NH<,3>/N<,2>/O<,2>中制備的薄膜的可見光吸收和可見光催化都有明顯的增強(qiáng)。 2．摻氮TiO<,2>膜的多次使用會嚴(yán)重降低其光催化效率。我們首次采用了溫和加熱方法對已經(jīng)使用過的薄膜進(jìn)行后處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其光催化效率幾乎可以完全恢

5、復(fù)，這對于材料的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。 3．使用低能氮離子注入方法對TiO<,2>薄膜進(jìn)行了氮的注入摻雜。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過低能離子注入可以有效地?fù)降瑫r保持原有的銳鈦礦相的結(jié)構(gòu)不變。注入摻氮會減小薄膜的顆粒尺寸，去除薄膜表面的一部分松散結(jié)合的大顆粒。低能氮離子注入得到的是填隙型摻N，含氮量可以達(dá)到3.4％，其可見光催化能力比純TiO<,2>明顯增強(qiáng)，表明填隙型摻N同樣能夠提高可見光催化能力。 4．采用在流動氮?dú)夂桶睔庵徐?/p>

6、燒TiO<,2>納米顆粒膜的方法制備了摻氮和氮?dú)涔矒诫s的TiO<,2>膜。在煅燒過程中先在高溫下短時間煅燒，后在較低溫下長時間煅燒，既減少了銳鈦礦相向金紅石相的轉(zhuǎn)化，又得到了較高的摻氮量。通過對薄膜的表征，發(fā)現(xiàn)在氨氣中煅燒比在氮?dú)庵徐褵懈玫膿诫s效率；在摻氮量一樣的情況下，氮?dú)涔矒诫s與摻氮相比有明顯的吸收邊的紅移，因此具有更強(qiáng)的可見光吸收和催化效率。 5．基于第一性原理，計(jì)算了純TiO<,2>、摻氮TiO<,2>和氮?dú)涔矒诫sT