纳米晶TiO2复合薄膜的光催化性能研究

论文摘要

二氧化钛作为一种高效、清洁、廉价易得的催化剂，越来越多地用于绿色环保材料的研究中。二氧化钛是目前研究较多的一类n型半导体材料，在能量较高的紫外光线的激发下，能够在其表面产生出光电子-空穴对，通过该电子-空穴对可以使其表面或空气中的有机物产生自由基，并通过一系列的自由基反应将有机物降解成小分子的H2O、CO2等。通过这种自由基反应可以降解有机物，并且反应清洁无污染，适于绿色环保材料的研发。然而二氧化钛自身带隙较宽（Eg=3.2eV），在太阳光的作用下不易被激发，因为能够激发其电子跃迁的光线主要为紫外光，而紫外光在自然光中不足5%，不能有效的利用自然光中占43%的可见光，故在太阳光源照射下，二氧化钛的光利用率非常低。同时，由于光生电子-空穴对易于复合，降低了电子-空穴的寿命，使光催化效率降低。因此，如何提高TiO2纳米粒子对太阳光的利用率，降低电子-空穴对的复合率，是提高TiO2光催化材料催化性能以及发展其更广泛应用的关键问题。二氧化钛的表面改性研究正是针对上述问题所做出的应对研究。TiO2的表面改性方法有许多种，目前，离子掺杂是最常见且最简便的方法之一。金属阳离子掺杂可以提高二氧化钛的光响应性并增强其光催化能力。本文主要采用金属V离子与其他金属、非金属离子表面共掺杂来对二氧化钛薄膜进行改性，通过观察改性后的复合薄膜降解有机染料的光催化性能，来研究其光催化性能提高的技术方法及机理。论文的研究工作主要包括以下几个方面：（1） TiO2复合薄膜的制备及性能研究本研究采用溶胶-凝胶法制备TiO2胶体，通过浸渍提拉法在玻璃基底成膜，并采用焙烧工艺制成TiO2薄膜。通过降解染料来考察V与W、Ce、Fe、Zn、F离子复合时的最佳浓度，以及复合后光催化效率的变化情况。实验表明：V与上述金属离子共掺杂后，复合TiO2薄膜的光催化性能都有了提高，并且在一定程度上提高了对自然光中可见光的响应。（2） TiO2复合薄膜的表征本研究采用了紫外可见分光光度计（UV-VIS）、X射线衍射仪（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、荧光发射光谱仪（PL）、热重/差热分析（DTA/TG）、氮气吸附-脱附仪（BET）等表征手段，对于该复合薄膜的表面结构和光吸收行为进行了探索，并对其反应机理及共掺杂的反应机制进行了研究。具有高催化性能的TiO2应是以锐钛矿晶型为主，含有少量的金红石及板钛矿相。实验结果表明，当V离子与金属或非金属离子共掺杂后，金红石及板钛矿型TiO2减少，锐钛矿型TiO2更加显著；同时，由于经过粒子共掺改性，减轻了纯二氧化钛薄膜表面的团聚现象，表面形貌特征平整，粒径分布相对均匀，并且孔径减小，粒子的比表面积增大。（3）光催化机理的探讨V及其他离子共掺杂后，纳米TiO2薄膜的光催化性能显著提高，可以推测出掺杂离子后，二氧化钛的禁带宽度降低。同时，由于V5+与Ti4+的离子半径相近，外层电子具有相似的排布结构，钒离子更易进入TiO2的晶格中进行掺杂，产生晶格缺陷，生成更多电子空穴，并阻碍其复合，从而提高了光催化效率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 2的结构和性能'>1.2 TiO₂的结构和性能
• 2的结构'>1.2.1 纳米 TiO₂的结构
• 2的性能'>1.2.2 纳米 TiO₂的性能
• 2薄膜的简述'>1.3 V 掺杂 TiO₂薄膜的简述
• 2薄膜的制备'>1.4 纳米 TiO₂薄膜的制备
• 2光催性能的因素'>1.5 影响纳米 TiO₂光催性能的因素
• 2结构和性质'>1.5.1 TiO₂结构和性质
• 1.5.2 反应条件影响因素
• 2薄膜修饰技术及应用前景'>1.6 TiO₂薄膜修饰技术及应用前景
• 1.6.1 离子掺杂技术
• 2光触媒的应用领域及前景'>1.6.2 TiO₂光触媒的应用领域及前景
• 1.7 本课题研究的内容、意义和创新点
• 2复合薄膜的制备与表征'>第二章 纳米 TiO₂复合薄膜的制备与表征
• 2.1 试剂及主要仪器
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验仪器及设备
• 2胶体及薄膜的制备'>2.2 纳米 TiO₂胶体及薄膜的制备
• 2.2.1 玻璃基体预处理
• 2胶体制备'>2.2.2 纳米 TiO₂胶体制备
• 2薄膜的制备'>2.2.3 纳米 TiO₂薄膜的制备
• 2掺杂及焙烧'>2.2.4 TiO₂掺杂及焙烧
• 2复合薄膜及粉体的表征'>2.3 TiO₂复合薄膜及粉体的表征
• 2.3.1 光催化降解率的测定
• 2.3.2 紫外-可见吸收光谱分析
• 2.3.3 粒径分析
• 2.3.4 孔径分析
• 2.3.5 电镜扫描分析
• 2.3.6 荧光分析
• 2.4 本章小结
• 2薄膜的光催化活性'>第三章 单掺杂 TiO₂薄膜的光催化活性
• 3.1 降解目标产物
• 2薄膜的光催化效果'>3.2 金属离子单掺 TiO₂薄膜的光催化效果
• 2薄膜的光催化效果'>3.2.1 V 离子单掺 TiO₂薄膜的光催化效果
• 2薄膜的光催化效果'>3.2.2 W 离子单掺 TiO₂薄膜的光催化效果
• 2薄膜的光催化效果'>3.2.3 Fe 离子单掺 TiO₂薄膜的光催化效果
• 2薄膜的光催化效果'>3.2.4 Zn 离子单掺 TiO₂薄膜的光催化效果
• 2薄膜的光催化效果'>3.2.5 Ce 离子单掺 TiO₂薄膜的光催化效果
• 2薄膜的光催化效果'>3.2.6 F 离子单掺 TiO₂薄膜的光催化效果
• 3.3 本章小结
• 2薄膜光催化性能研究'>第四章 含钒共掺杂 TiO₂薄膜光催化性能研究
• 4.1 含钒双掺杂体系的光催化性能
• 4.1.1 钒、钨共掺杂降解酸性品红的性能研究
• 4.1.2 钒、铈共掺杂降解酸性品红的性能研究
• 4.1.3 钒、锌共掺杂降解酸性品红的性能研究
• 4.1.4 钒、氟共掺杂降解酸性品红的性能研究
• 4.2 含钒三掺杂体系的光催化性能
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录