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纳米二氧化钛薄膜离子掺杂与金属载体交互作用的研究

单志强  
【摘要】:本论文通过溶胶-凝胶技术制备了TiO_2薄膜;研究了十三种离子对TiO_2薄膜的掺杂行为,研究了不同价电子构型的掺杂离子对载体的影响以及不同载体功函数对表面势垒的影响等方面内容。主要研究结果如下: 1.离子的类型及掺杂浓度对TiO_2薄膜催化活性有显著的影响,其中Mn~(2+)、Ni~(2+)、Co~(2+)降低了TiO_2薄膜光催化活性,当Co~(2+)掺杂浓度为6.04×10~(18)cm3,铝片为载体时,溶液的脱色率降到了9.13%;不锈钢负载则降到了7.32%;对于钛片载体只有少数离子能够提高其TiO_2薄膜的催化活性,大多数离子都对其有负面影响,如当Cr~(3+)浓度为6.04×10~(15)/cm~3时,脱色率为70.79%;W~(2+)的最佳掺杂浓度为6.04×10~(18)/cm~3。 2.掺杂离子可以改变半导体功函数,不同的离子在同一浓度下掺杂对半导体的功函数影响不同,肖特基势垒高度变化也不相同,从而使载体和离子对电子和空穴捕获能力不同。 3.钛片、铝片、不锈钢的导电性不同,功函数也不相同,其中,钛的功函数为3.98eV、铝的功函数为4.25eV、不锈钢的功函数约为 4.5 leV,从而导致了TIO:薄膜的固有电阻率差别,使电子由基底材 料通过界面转移到TIO:薄膜,功函数差决定了界面电子转移的深度。 钦片载体具有最小的功函数,也即其对电子的束缚能力较小,使之易于 迁移到半导体表面与吸附的污染物反应,使二氧化钦薄膜具有较高的 光催化活性,这一结论对于铝片及不锈钢载体却不成立,原因为Wm的 值与金属表面的状况有一定的关系。 总体而言,钦片负载的纳米二氧化钦薄膜催化剂无论掺杂哪种金 属离子,其降解效果在相同条件下基本好于其它载体。本研究工作对 于开发纳米二氧化钦的功能型复合材料、光催化剂的固定化及载体选 择、光催化剂催化性能的提高及光催化剂更广泛地应用于工业上将提 供重要的理论价值及实际意义。


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