酸处理对TiO2薄膜光催化及亲水性能影响的研究

论文摘要

本研究从提高TiO2光催化活性和亲水性的角度对TiO2进行表面改性，重点研究了用醋酸和硫酸对TiO2薄膜进行表面改性处理，从机理的角度深入探讨了表面酸改性处理对TiO2薄膜的亲水性和光催化性能的影响。本文采用三层薄膜在400℃第一次退火，制备未改性薄膜；然后将未改性薄膜在酸中浸泡24小时，再在不同温度下第二次退火处理，制备改性的薄膜。制备的薄膜采用XRD分析晶相结构、晶粒尺寸；用AFM分析表面形貌；用UV分析光学性能。研究了制备条件、改性酸的浓度等对TiO2光催化活性和亲水性的影响，取得了一些显著创新性成果，对高效光催化剂和亲水性具有重要的指导意义。本论文主要研究结果如下：1．系统研究了醋酸和硫酸的处理浓度对TiO2亲水性能影响。研究表明：改性后的薄膜的亲水性与酸的种类和酸的浓度有很大的关系。酸处理后，薄膜的热致亲水性和光致亲水性，比处理前明显提高。其中醋酸最佳浓度用1mol／L；硫酸最佳浓度为0．4 mol／L。在最佳浓度下，醋酸处理的薄膜有很好的超亲水性和光致响应速度，同时还能延长薄膜的亲水时间；紫外光照1．5h达到超亲水性，此后避光22h仍有强亲水性；硫酸处理后，光照1h达到超亲水性，此后避光12h失去亲水性。可见光照2．5h后，1mol／L醋酸处理的薄膜达到超亲水性；硫酸处理后，薄膜没有超亲水性。表明硫酸改性的薄膜光致响应速度优于醋酸改性，但从改善和延长薄膜的亲水时间的角度来看，醋酸优于硫酸改性。2．系统研究了醋酸与硫酸处理的浓度对对TiO2光催化性能的影响。本实验结果表明，用醋酸与硫酸改性处理，能大幅度提高纳米TiO2的光催化特性。其中用1mol／L醋酸和0．4mol／L硫酸处理的TiO2薄膜光催化性能最好，用1mol／L醋酸改性后薄膜在紫外光照3h内对亚甲基兰和甲基橙溶液的降解率为66％、45％；用0．4mol／L硫酸处理的TiO2薄膜在紫外光照3h内对亚甲基兰溶液的降解率为78％和62％；未改性的薄膜在相同条件下对亚甲基兰和甲基橙溶液的降解率仅为15％、10％。在可见光照3h内，用1mol／L醋酸改性后薄膜在紫外光照3h内对亚甲基兰和甲基橙溶液的降解率为30％、21％；用0．4mol／L硫酸处理的TiO2薄膜在紫外光照3h内对亚甲基兰溶液的降解率为35％和27％；这说明用硫酸改性处理比醋酸改性处理相对好些。通过晶体结构分析，表明用硫酸处理薄膜能抑制晶粒生长，这主要是因为SO42-依附，产生空间隔离效应；醋酸处理没有这种空间隔离效应，薄膜在相同条件下，晶粒尺寸相对较大。通过表面形貌分析，表明酸处理的薄膜，表面形貌发生了很大的变化。这种特殊的表面形貌增加了表面的活性中心和对紫外光的吸收，同时加速电子-空穴的分离，提高了量子产率。因此，酸处理能大幅度提高薄膜的光催化性能；同时对薄膜的亲水性能有很大的影响．本论文对于如何提高纳米TiO2薄膜的亲水性和光催化性能具有重要意义，对纳米TiO2的生产应用有直接指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 2薄膜研究现状'>1.1 光催化TiO₂薄膜研究现状
• 2光催化反应'>1.2 TiO₂光催化反应
• 1.2.1 光催化反应机制
• 1.2.2 光催化反应的影响因素及改性研究
• 1.3 亲水性能
• 1.3.1 亲水机理
• 1.3.2 亲水性的影响因素及改性研究
• 1.4 自清洁玻璃
• 1.4.1 自清洁原理
• 1.4.2 研究现状与应用
• 1.5 目前存在的问题
• 1.6 本文研究内容及意义
• 第二章 改性薄膜的制备与表征
• 2.1 引言
• 2.2 改性薄膜的制备
• 2.2.1 薄膜的制备
• 2.2.2 所用材料及主要仪器设备
• 2.2.3 制备过程
• 2.3 纳米氧化钛薄膜的表征
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 X-射线衍射（XRD）分析
• 2.4.2 原子力显微镜（AFM）分析
• 2.4.3 紫外-可见光谱（UV）分析
• 结论:
• 第三章 改性薄膜亲水性能的研究
• 3.1 引言
• 3.2.醋酸处理对薄膜热致亲水性和光致亲水性的影响
• 3.2.1 醋酸的浓度对热致亲水性的影响
• 3.2.2 避光时间对薄膜热致亲水性的影响
• 3.2.3.紫外光照时间对薄膜接触角的影响
• 3.2.4.太阳光照对薄膜接触角的影响
• 3.3 硫酸对薄膜亲水性的影响
• 3.3.1 硫酸的浓度对接触角的影响
• 3.3.2 避光时间对薄膜接触角的影响
• 3.3.3 紫外光照时间对薄膜接触角的影响
• 3.3.4 太阳光照对薄膜接触角的影响
• 3.4 硫酸处理与醋酸处理薄膜在亲水性上的差异
• 小结:
• 第四章 改性薄膜光催化性能的研究
• 4.1 引言
• 4.2 硫酸处理对薄膜光催化性能的影响
• 4.2.1 紫外光照射下的光催化活性
• 4.2.2 太阳光照射下的光催化活性
• 4.2.3.催化剂的稳定性
• 4.3 醋酸处理对薄膜光催化特性的影响
• 4.3.1 紫外光照射下的光催化活性
• 4.3.2 太阳光照射下的光催化活性
• 4.3.3 催化剂的稳定性
• 4.4 醋酸与硫酸处理薄膜对光催化降解亚甲基兰溶液的差异
• 小结
• 第五章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要研究成果