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《浙江理工大学》 2011年
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改性TiO_2薄膜的制备及性能研究

汪宇炎  
【摘要】:二氧化钛(TiO_2)薄膜具有优异的光催化和光致亲水性能,其化学性质稳定、无毒、成本低,是理想的光催化剂,应用前景广阔,包括防雾、杀菌、消毒、防污、自清洁等。然而,TiO_2在实际应用过程中也存在着一些缺陷:①光生载流子容易复合,量子效率低;②光学带隙较大,吸收波长范围窄,主要集中在紫外区域,只能吸收利用太阳光中占4%左右的紫外线部分。TiO_2光催化技术的应用和发展被这些缺陷所制约,如何拓展TiO_2的光谱响应范围和提高TiO_2的量子产率是解决TiO_2薄膜应用的关键。因此,研制可见光激发的高效纳米TiO_2半导体薄膜具有重大意义。 目前制备TiO_2薄膜主要采用的方法有磁控溅射法、化学气相沉积法和溶胶-凝胶法等,其中溶胶-凝胶法是制备TiO_2薄膜最常用的方法之一。由于Ti4+离子极易水解,传统溶胶-凝胶法中都要使用大量的有机溶剂或强酸溶液,造成环境污染,本实验采用氨水改性过氧钛酸溶胶-凝胶法制备了TiO_2前驱体溶液,该反应采用水作为反应介质,双氧水做络合剂,具有环境污染小和生产成本低等特点。 本实验采用过氧钛酸溶胶-凝胶法制备了TiO_2薄膜并对其进行Fe、N掺杂改性,对不同工艺条件制备的TiO_2薄膜进行了EDX、AFM、XRD、紫外可见光吸收光谱、光致亲水性以及光催化降解亚甲基蓝测试。本文研究了不同离子掺杂对TiO_2薄膜的表面形貌、晶体结构、光学性能、光致亲水性以及光催化性的影响。找出制备具有亲水性和催化性TiO_2薄膜的最佳工艺条件。 在以玻璃为基底制备的TiO_2薄膜的研究结果表明:4层膜厚500℃退火2h的TiO_2薄膜的亲水性最好,在紫外光照射1h后薄膜表面水的接触角为4°达到了超亲水状态。4层膜厚400℃退火2h的TiO_2薄膜的光催化性最好,在紫外光照2h后能够分解20.5%的亚甲基蓝溶液。 对TiO_2薄膜进行Fe掺杂研究结果发现:Fe掺杂抑制了TiO_2晶粒的生长,使薄膜的吸收带红移,在紫外光照射下,低浓度Fe掺杂TiO_2薄膜的亲水性能要优于未掺杂TiO_2薄膜,高浓度掺杂的TiO_2薄膜的亲水性能比未掺杂TiO_2薄膜差。N掺杂TiO_2薄膜的研究发现:随着掺杂浓度的增加TiO_2薄膜的吸收带逐渐红移,当N、Ti摩尔比为2:1时,TiO_2薄膜的吸收带已经红移到了可见光区。在可见光照3h后,N、Ti比为2:1和3:1的N掺杂TiO_2薄膜能达到超亲水状态,N、Ti比为3:1的TiO_2薄膜在可见光下的催化活性最好。 Fe、N共掺杂TiO_2薄膜的研究表明:Fe、N共掺杂TiO_2薄膜具有可见光活性,在光照下Fe、N共掺杂比N掺杂的TiO_2薄膜的接触角下降速度快。Fe、N共掺杂TiO_2薄膜降解亚甲基蓝的速度比N、Ti比为2:1的N掺杂TiO_2薄膜快。 在紫外和可见光下,本文所制备的TiO_2薄膜薄膜都具有良好的光致超亲水性和光催化性,为TiO_2薄膜的实际应用打下了坚实的基础。
【学位授予单位】:浙江理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TB383.2

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