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TiO_2薄膜光催化剂的制备及结构与性能研究

任成军  
【摘要】:光催化剂二氧化钛薄膜作为绿色环保材料在空气净化、废水处理、抗菌、除污防雾,自洁净等方面有着诱人的应用前景。本研究用工业偏钛酸为原料,以载玻片为基体材料,采用溶胶-凝胶法和浸渍提拉技术成功地制备了光催化活性的纳米结构二氧化钛薄膜,为我国钛资源综合利用开辟了一条新途径。 由于以工业偏钛酸为原料制得的二氧化钛水溶胶在釉面陶瓷上难于附着,本文在室温到1000℃范围内,按不同温度煅烧了以偏钛酸为原料的二氧化钛前躯体,采用X-射线衍射研究煅烧过程中的相变。结果表明:以工业偏钛酸为原料制备的锐钛型二氧化钛向金红石型二氧化钛的转变出现在950-1000℃的高温区,此结果为高温烧结制得附着力强的锐钛型二氧化钛薄膜和将二氧化钛水溶胶直接加入陶瓷釉料中制备光催化活性较高的釉面陶瓷提供了理论依据。 针对釉面陶瓷,本研究又选用钛醇盐为前躯体,通过向溶胶体系中加入少量的乙酰丙酮提高了薄膜对釉面陶瓷的附着强度。 采用传统的热辐射(在马福炉中)制备光催化活性的二氧化钛薄膜时,处理温度需500℃,使不耐高温的基材如塑料、木材等的使用受到限制,本研究采用微波及紫外光辐射制备光催化活性二氧化钛薄膜的温度约100℃,因而适用于低温基质材料,以新的辐射方式代替传统的热处理,拓展了基质材料的应用范围。 本文以甲基橙溶液为模型化合物,评价了二氧化钦薄膜的光催化活性。分 别采用以下两种掺杂工艺提高了薄膜的光催化活性:①.先在基质上浸涂一层醋 酸铜水溶液再浸涂二氧化钦溶胶,制得的薄膜光催化活性提高了53%;②.先在 基质上浸涂一层常温常压合成的二氧化硅溶胶再浸涂二氧化钦溶胶,薄膜的光 催化活性提高了71.75%。这两种掺杂方法工艺简单,效果明显。 还系统地研究了不同工艺条件制得的二氧化钦薄膜光催化性能与薄膜微结 构及形态的关系。 X射线衍射定量相分析表明,二氧化钦薄膜中掺入铜离子和二氧化硅会诱导 金红石型二氧化钦生成,本文提出了引入杂质离子诱导金红石型二氧化钦生成的 机理,由于杂质离子进入二氧化钦晶格内部产生晶格缺陷,导致锐钦型二氧化钦 晶格的缺陷密度增大,与之对应缺陷能量密度也增大,使锐钦型二氧化钦晶格不 稳定,从而诱导金红石型二氧化钦生成。 对掺入铜离子和二氧化硅的二氧化钦薄膜微结构参数分析表明,掺杂的二 氧化钦薄膜点阵应变呈规律性的变化,二氧化钦薄膜点阵应变越大,膜光催化 性能越好。适量金红石型/锐钦型的混晶型二氧化钦也具有很好的光催化活性。 X射线光电子能谱分析表明,向二氧化钦薄膜中掺入铜离子和二氧化硅后, 光催化活性好的Ti3+及亲水性高的表面经基含量均明显增加。 由溶胶一凝胶法制备的二氧化钦薄膜颗粒属于纳米粒子,颗粒显球形,粒径 在10一SOnm范围,颗粒均匀分布在基体表面。脆断的界面表面呈明显层状密堆积 结构,膜与基体之间结合紧密,脆断的断面无明显裂纹。 关键词:二氧化钦薄膜制备结构光催化性能


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