纳米二氧化钛薄膜材料制备及光催化性能研究

论文摘要

Ti02半导体材料以其效率高、无毒、化学稳定性好等优点逐渐成为一种重要的光催化剂。在水净化实际应用方面,固定化二氧化钛薄膜因解决了悬浮态光催化剂难以分离回收等问题而倍受广泛的关注。本文采用溶胶-凝胶法和浸渍提拉技术制备了Ti02薄膜,并对其光催化性能进行了研究。主要研究内容和结论如下：（1）以钛酸异丙酯,无水乙醇,去离子水,乙酰丙酮,吐温20为原料制备含钛的溶胶,其中吐温20是一种表面活化剂,用来对Ti02薄膜改性。利用XRD、SEM、UV-Vis、 BET对薄膜的性能进行了表征。分析Ti02薄膜制备过程中加水量、反应温度、镀膜次数、提拉速度、pH值以及热处理温度等重要因素对薄膜结构和光催化性能的影响。结果表明：在酸性溶胶,水与钛酸异丙酯的摩尔比例为7：1,反应温度为20℃,提拉速度为1.33mm·s-1的条件下制备的Ti02薄膜具有良好的透光性,吸收紫外线能力强,二氧化钛颗粒均匀致密的附着在玻璃基体表面。（2）以亚甲基蓝溶液为污染物模型,对Ti02薄膜的光催化性能进行了研究。分析一些重要的因素对光催化性能的影响,并与粉状Ti02颗粒光催化性能进行了对比,同时分析了薄膜的稳定性。结论如下：加入吐温20后能够明显提高Ti02薄膜光催化效率；催化剂量增大、水量增多以及镀膜次数增加均能提高光催化效率且存在最佳值；亚甲基蓝的降解率随焙烧温度的升高先增大后减小,最佳温度为450℃；TiO2薄膜的光催化效率要低于TiO2粉末,并且紫外光条件下的降解率高于可见光；亚甲基蓝溶液的降解率随初始浓度升高而降低,并且Ti02薄膜的光催化稳定性较好。（3）TiO2薄膜光催化降解亚甲基蓝动力学研究和分析。结论如下：增加催化剂量有助于提高亚甲基蓝的光催化速率,直到出现最优的催化剂量；光催化速率常数随着溶液初始浓度的增大而减小；溶液的pH值是影响光催化反应速率的重要因素,在反应液中加入浓硝酸或者氨水可以增强反应速率；反应速率常数随着去离子水量增加而增大；实验中最高的反应速率常数,对应着热处理温度最佳值（450℃）；纳米Ti02薄膜光催化降解亚甲基蓝溶液的反应均符合Langmuir-Hinshelwood （L-H）动力学模型,且光催化氧化过程为一级反应。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 2晶体结构'>1.1 TiO₂晶体结构
• 1.2 半导体光催化基本原理
• 2光催化技术的应用现状'>1.3 TiO₂光催化技术的应用现状
• 1.3.1 光催化降解有机污染物
• 1.3.2 光催化降解无机污染物
• 1.3.3 表面光致亲水性的应用
• 1.3.4 光催化杀菌
• 1.3.5 光催化还原二氧化碳
• 2光催化的改性'>1.4 TiO₂光催化的改性
• 1.4.1 贵金属沉积
• 1.4.2 半导体复合
• 1.4.3 金属元素掺杂
• 1.4.4 光敏化
• 2薄膜的制备方法'>1.5 TiO₂薄膜的制备方法
• 1.5.1 溶胶-凝胶法
• 1.5.2 水热法
• 1.5.3 微乳液法
• 1.5.4 化学气相沉积法
• 2光催化技术存在的问题'>1.6 TiO₂光催化技术存在的问题
• 1.7 选题的意义及内容
• 2 实验部分
• 2.1 实验药品及主要的仪器设备
• 2薄膜制备的工艺流程'>2.2 TiO₂薄膜制备的工艺流程
• 2.2.1 基体的预处理
• 2.2.2 溶胶的配制
• 2薄膜的制备'>2.2.3 TiO₂薄膜的制备
• 2.3 薄膜的测试及表征方法
• 2.3.1 薄膜厚度的测定
• 2.3.2 紫外可见光谱（UV-Vis）
• 2.3.3 X-射线衍射（XRD）
• 2.3.4 扫描电镜（SEM）
• 2.3.5 比表面积测定（BET）
• 2.4 光催化降解性能实验
• 2.4.1 甲基蓝溶液的制备
• 2.4.2 光催化反应装置
• 2.4.3 最大吸收波长的测定
• 2.4.4 甲基蓝浓度与吸光度值的关系
• 2.4.5 光催化降解效果分析
• 2.5 小结
• 2薄膜制备过程中的影响因素分析及表征'>3 TiO₂薄膜制备过程中的影响因素分析及表征
• 2薄膜制备过程中的主要影响因素'>3.1 TiO₂薄膜制备过程中的主要影响因素
• 3.1.1 原料各组分比例对溶胶制备的影响
• 3.1.2 反应温度对凝胶时间的影响
• 3.1.3 镀膜次数对膜厚及光学性能的影响
• 3.1.4 提拉速度对膜厚的影响
• 3.1.5 pH值对薄膜的影响
• 3.1.6 热处理温度对薄膜晶型的影响
• 3.2 薄膜的表征
• 3.2.1 薄膜的物相分析
• 3.2.2 薄膜的表面形貌特征
• 3.2.3 比表面积及孔分布分析
• 3.2.4 薄膜的光学性能
• 3.3 小结
• 4 改性二氧化钛薄膜光催化性能研究
• 4.1 试验部分
• 4.2 结果和讨论
• 4.2.1 吐温20改良溶胶对光催化效果的影响
• 4.2.2 催化剂用量对光催化效果的影响
• 4.2.3 溶胶pH对光催化降解率的影响
• 4.2.4 去离子水量对光催化降解率的影响
• 4.2.5 热处理温度对光催化降解率的影响
• 4.2.6 镀膜次数对光催化效果的影响
• 2与TiO₂薄膜的光催化对比试验'>4.2.7 粉体TiO₂与TiO₂薄膜的光催化对比试验
• 4.2.8 溶液初始浓度对光催化降解效率的影响
• 4.2.9 薄膜的光催化稳定性分析
• 4.2.10 光源对光催化降解效果影响
• 4.3 小结
• 5 二氧化钛薄膜对亚甲基蓝光催化降解动力学研究
• 5.1 动力学研究概况
• 5.2 光催化反应动力学模型
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 不同催化剂量的动力学研究
• 5.3.2 不同初始浓度的动力学研究
• 5.3.3 不同溶液pH的动力学研究
• 5.3.4 不同热处理薄膜降解亚甲基蓝的动力学研究
• 5.3.5 不同水量处理薄膜降解亚甲基蓝的动力学研究
• 5.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢