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真空电弧沉积掺Zn二氧化钛薄膜光催化及耐磨性研究

黄雪梅  
【摘要】: 二氧化钛具有优异的光催化活性,它能将环境中存在的微量有机物降解为无污染的无机物,还能杀死细菌病毒。但是,二氧化钛光催化剂须依赖于紫外光,对太阳光的利用率低,因而限制了它的应用。为了提高二氧化钛在可见光区的光催化活性,充分利用太阳光,必须对其进行改性。而且,作为一种薄膜,摩擦或机械性能对其可靠性和功能性具有重要的影响。因此,对其摩擦学特性及摩擦磨损特性进行研究不仅具有重要的理论意义,也具有广泛的应用前景。 本文采用真空电弧沉积法在玻璃基片上沉积了掺杂Zn的二氧化钛薄膜,借助于X射线衍射(XRD)、原子力显微镜、光电子能谱、紫外-可见分光光度计、分光光度计等分析方法,研究了二氧化钛薄膜的制备工艺(氧分压、薄膜厚度、Zr沉积时间、沉积速率、离子束辅助束流、退火温度)对二氧化钛薄膜结构、光学性能、表面形貌、光催化性能的影响,采用微型摩擦磨损试验仪来探讨掺杂Zn的二氧化钛耐磨性能。 实验表明:沉积的二氧化钛薄膜均为非晶态,经退火处理后全部为锐钛矿相,呈A(101)衍射晶面择优取向,且在600℃范围内,随退火温度的升高,结晶得到改善。掺杂Zn薄膜基本上都是由粒径约为100nm颗粒组成,颗粒形状为球形和椭球形,且在薄膜上弥散分布着钛滴。薄膜在波长范围300nm~850nm内都有一定的吸收边,且在小于350nm的紫外区有强烈吸收,在可见光范围内具有较好的透过性。掺杂Zn的二氧化钛薄膜具有较好的紫外光催化性能,具有一定的可见光光催化性能,氧分压为1.0Pa、Ti沉积时间为10min、Zr沉积时间为2min、弧流为70A、退火温度为500℃、有离子束辅助沉积的薄膜光催化性能最好,且降解染料品红的反应符合一级反应动力学方程,通过摩擦学性能测试,掺杂Zn薄膜较之于纯二氧化钛具有更好的耐磨性。


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