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自清洁外墙砖TiO_2薄膜的制备与表征

黄习旋  
【摘要】:二氧化钛具备活性高、成本低和化学稳定性好等优点,是现阶段应用最为广泛的光催化材料。将二氧化钛负载在陶瓷上,可以制备出具有自清洁、净化空气和抗菌杀毒等功能的光催化陶瓷,但薄膜只有在紫外光照射下才具有光催化效果。为了提高薄膜的光催化性能和拓宽光吸收波长范围,本文通过溶胶凝胶法制备了负载在陶瓷外墙砖上的Si、Ni和N掺杂的二氧化钛薄膜,利用XRD、SEM、DSC、FI-TR和XPS等测试技术对样品的物相、显微形貌和元素价态等进行分析,对陶瓷薄膜的光催化效率、亲水性、色度和耐久性进行测试,使自清洁外墙砖具备良好的光催化性能和亲水性。通过SiO_2的掺杂,可以将二氧化钛由锐钛矿型转变成金红石型的晶型转变温度从800℃提高到1200℃,提高了二氧化钛的稳定性,但是SiO_2的掺杂会使二氧化钛的晶体发育缓慢,当Si/Ti=0.2,800℃保温2h时,对亚甲基蓝的光催化降解率最好,达到70%,成膜性也最佳。通过有机物对二氧化钛的掺杂,发现2wt%的MC、CTAB的掺入会使二氧化钛的晶型转变温度大幅度降低,而PVP的掺入也会减弱二氧化钛的稳定性,柠檬酸铵、Urea和硼酸的掺入基本不改变二氧化钛的晶型转变温度。磷掺杂二氧化钛的晶型转变温度从800℃提高至1000℃.将Ni(NO_3)_2·6H_2O加入到二氧化钛前驱体溶胶当中,利用浸涂法制备了Ni掺杂二氧化钛薄膜,结果表明:当Ni/Ti=0.3时,薄膜600℃煅烧2h,二氧化钛晶体发育较好,而且生成了少量NiTiO_3,有利于拓宽薄膜的可见光吸收范围,提高可见光催化效率,但是紫外光催化效率降低,Ni的掺入量过多会降低二氧化钛的结晶度。Ni掺杂二氧化钛薄膜会使陶瓷表面亮度较高,具有金属光泽。通过在二氧化钛前驱体溶胶中加入PVP,制备了涂覆在外墙砖表面的N掺杂二氧化钛薄膜,研究了N对二氧化钛的掺杂机理,N原子取代了部分O原子,产生了缺陷,拓宽了自清洁外墙砖薄膜的光吸收波长范围。薄膜在12h可见光照射下对亚甲基蓝溶液的降解率最高可达到68%,接触角从50°降低至19°,2wt%PVP掺杂的二氧化钛薄膜在无釉外墙砖上的附着力为5B,铅笔硬度6H,色度与未涂覆的外墙砖表面色度基本一致。


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