TiO_2系光催化超亲水性薄膜的研究

【摘要】： 提高TiO_2的光催化效率，制备既具有高的光催化活性，又具有良好的亲水特性的TiO_2薄膜，是近年来光化学及光催化领域中研究的热点之一。本论文分别采用磁控溅射法和溶胶-凝胶法制备出了不同结构和组成的TiO_2系薄膜，并对其结构、特性进行了较系统的研究，同时还对超亲水性薄膜的中试生产工艺进行了初步研究，取得了如下成果： 1、进行了对磁控溅射法制备TiO_2薄膜工艺中的主要参数：阳极电压、溅射时间、阳极电流及靶的性质对所制备薄膜中的TiO_2晶型、颗粒大小及薄膜的厚度、形貌、光催化活性、亲水特性的影响的较详细研究，优化了磁控溅射制备条件及工艺参数，获得了制作具有超亲水性和较好光催化活性的TiO_2薄膜的较佳工艺条件，分别为： (1) 阳极电压取1.8kV，溅射时间取60min，靶由100％锐钛矿TiO_2经液压机压制而成(靶的参数：厚度9mm，直径53.5mm，质量34.92g，密度1.726g/cm~3)，阳极电流取I_(max)/4，其表面与水的接触角达到4~0； (2) 阳极电压取1.2kV，溅射时间取80min，靶由100％锐钛矿TiO_2经液压机压制而成(靶的参数：厚度6.5mm，直径53.5mm，质量24.99g，密度1.71g/cm~3)，阳极电流取I_(max)时，其反应动力学常数为0.0192； 2、采用溶胶-凝胶法，制备出了TiO_2系的掺杂、复合、叠层、复合叠层膜，并对其制备条件及TiO_2系薄膜的光催化活性及亲水特性进行了研究，结果表明： (1) TiO_2薄膜的厚度、孔隙率和热处理温度等因素通过影响薄膜中的羟基含量、吸附性能、表面粗糙度而影响薄膜的光催化活性和亲水特性； (2) 少量银的掺杂有利于TiO_2薄膜表面羟基氧和桥氧含量的增加，使薄膜的亲水性能和光催化活性得以改善，但银的掺杂量增加到一定数量后，亲水性能变差。表面桥氧比羟基氧对薄膜亲水性能的影响更大，而对光催化活性的影响则是羟基氧更大； (3) TiO_2-SnO_2的复合膜、叠层膜及复合叠层膜的光催化活性及亲水性均优于纯TiO_2薄膜。对于TiO_2-SnO_2复合膜，当SnO_2的摩尔含量为10％时的复合膜的光催化活性最好，摩尔含量为1～5％时的复合膜的亲水性最好，并具有良好的亲水性长 昆明理工大学博士学位论文 摘要 (4) (5) (6) 期保持特性;对于TIO:/SnO:的叠层膜及复合叠层膜，表层为TIO:的叠层膜及 复合叠层膜的光催化活性优于表层为SnO:的叠层膜及复合叠层膜。主要原因是 SnO:有利于表面层TIO:的光生电子和空穴的分离，从而有利于TIO:光催化活 性的提高。 在FeZO3含量较少时，TIOZ一FeZO3复合膜的光催化活性优于纯TIO:薄膜，其原 因可归因于不同能级半导体之间光生载流子的输运与分离。Fe20;的摩尔含量为 0.5%时光催化活性最好;而在FeZO3的摩尔含量为0.05一0.1%时，获得了具有 超亲水性能的复合薄膜;但FeZO3/TIO:的叠层膜及复合叠层膜的光催化活性及 亲水性能均不理想，主要原因是FeZO3的存在具有光生载流子复合中心的作用。 TIOZ一A120:复合膜的亲水性稍好于纯TIO:薄膜，但A12O:的加入不能提高TIOZ 的光催化活性。 热处理温度、薄膜厚度、孔隙率等因素对掺银的Tio:薄膜、TioZ一snoZ、TioZ一FeZo3 复合薄膜光催化和亲水性能的影响与对纯TIO:薄膜的影响相似。 3、在本文所研究的膜材料及膜结构中，TiOz/(TiO2一A1203一SnO户复合叠层膜与同等 条件下制得的纯TIO:膜及其它所薄膜相比，既具有高的光催化活性，又具有优良的超 亲水特性，这是本论文最重要的研究结果。本论文首次提出采用复合叠层膜结构，为制 备既具有高的光催化活性，又具有优良的超亲水特性的多功能薄膜找到了一种新的可能 途径。 4、掺银TIOZ膜、TIOZ一SnOZ、TIOZ一FeZO3复合膜的亲水性，TIOZ一A12O3复合膜、 TIO:与SnO:和TIO:与FeZO:的叠层膜以及TIOZ/(TIOZ+SnOZ+A12O;)多元复合叠层膜 的光催化及亲水性的研究工作均未见报道，本文首次报道了这方面的工作，并对其光诱 导超亲水性作用原理进行了分析讨论。 5、以磁控溅射制备的TIO:薄膜为例，从理论上分析研究了TIO:薄膜的光学特性， 获得了如下结果: (1) TIOZ薄膜的折射率与波长的关系:n 0 .28798 x 1010 ==—十 缨·2·’。86’ (2) TIOZ薄膜的吸收系数与波长的关系:堪a 1 .4675 x 105 兄2 3 .9296 昆明理工大学博士学位论文 摘要 (3) Ti02薄膜厚度的计算公式:d= 入又2 2(nZ兄，一n】又2) 6、针对自清洁玻璃中试生产中的工艺特点及在实际使用中的性能要求，研究并初 步获得了以玻璃为衬底的自清洁薄膜的中试制备工艺，以及自清洁玻璃的物理性能、亲 水特性、化学与环境稳定性的表征与评价方法。