二氧化钛复合薄膜的微结构及光催化性能研究

发布时间：2017-09-19 15:04

  本文关键词：二氧化钛复合薄膜的微结构及光催化性能研究

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【摘要】：二氧化钛具有无毒,化学性质稳定,催化效率高,廉价易得等一系列优良性能,因而被广泛地应用于光催化、仿生医学、染料敏化太阳能电池等众多领域。光催化氧化是在能量较高的紫外光照射下,材料表面能够产生具有氧化还原能力的光生电子-空穴对,这些电子和空穴能够与吸附在表面的水、氧气发生一系列氧化还原反应,生成氧自由基和羟基自由基,这些自由基能够将有机污染物降解为小分子的水和二氧化碳等无机物,其过程耗能低且清洁无污染,是极富前景的应用方向。然而单纯二氧化钛的禁带宽度较大(锐钛矿型TiO_2禁带宽度约为3.2eV),只有波长小于387.5nm的紫外光才能激发其产生光催化性能。同时,由紫外光照射激发产生的光生电子-空穴极易复合,这两个方面大大限制了二氧化钛光催化剂的应用。因此,提高二氧化钛的光能利用率,降低光生电子-空穴的复合率,成为当前材料工作者研究的重要任务。本文通过构建纳米微叠层结构、离子掺杂及表面酸化对TiO_2进行了改性,主要研究内容如下:1.纳米微叠层薄膜的制备及性能研究本实验采用溶胶-凝胶法,分别选用钛酸四丁酯、正硅酸乙酯及二水合醋酸锌作为前驱体,制备了TiO_2、SiO_2及ZnO胶体。后利用浸渍提拉的方法在玻璃基底上制备出SiO_2/TiO_2、ZnO/TiO_2纳米微叠层薄膜。通过观察薄膜对酸性品红的降解效果,确定了SiO_2/TiO_2、ZnO/TiO_2微叠层薄膜的最佳次序和最佳层数。根据掺杂改性后的微叠层薄膜对酸性品红的降解效果确定了Co、F离子单掺、H_3BO_3表面处理的最佳浓度及复合改性的最佳配比。利用最佳浓度和最佳配比的微叠层薄膜分别对甲基绿、土霉素和甲醛进行降解。实验结果表明:通过构建纳米微叠层结构、离子掺杂、酸化处理及复合改性后薄膜的光催化性能有了明显提高,对可见光的利用率增大。2.纳米微叠层薄膜的表征采用紫外-可见分光光度计(UV-vis)、荧光发射光谱仪(PL)、场发射扫描电镜(FE-SEM)、X射线衍射仪(XRD)、差热-热重分析仪(DTA-TG)等手段对微叠层薄膜进行了一系列的光吸收行为和表面结构的表征。UV-vis和PL结果表明微叠层薄膜及掺杂改性后的微叠层薄膜对可见光的利用率明显提高而且光生电子-空穴的复合率也有一定程度的降低。FE-SEM结果显示微叠层薄膜有明显的层状结构,掺杂改性后粒径分布均匀、表面平整。从XRD及DTA-TG结果可以看出掺杂改性抑制了锐钛矿相TiO_2的晶相变化,金红石及板钛矿相明显减少。3.光催化机理的探讨通过构建纳米微叠层结构,提高了薄膜的光催化性能,明显拓宽了其对可见光的响应范围。主要是由于层与层之间的界面效应所产生的静电场作用使得光生电子-空穴能够有效地分离;同时SiO_2作为具有大比表面积的绝缘体,对光生电子-空穴的传输作用明显,有效延长了光生载流子的寿命。ZnO作为n型半导体,其自身具有光催化能力,经光照射后,能够产生具有氧化还原能力的光生载流子;另外,ZnO与TiO_2能够形成交错能级,在一定程度上降低了TiO_2的带隙能,提高了其光催化性能。离子表面掺杂则具有以下三个方面的作用:第一,掺杂离子能够在TiO_2内部形成掺杂能级,降低二氧化钛的带隙能,从而使得价带电子更易受光激发;第二,带有正负电荷的离子能够作为电子/空穴捕获阱,捕获电子/空穴,使它们得以有效分离;第三,进入TiO_2晶格中,产生晶格缺陷,抑制TiO_2晶型变化。表面酸化处理除了能够引入掺杂离子具有以上三方面作用外,还增加了薄膜表面的羟基自由基数量,有利于其光催化性能的提高。
【关键词】：微叠层 离子掺杂 复合改性 光催化
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TB383.2
【目录】：

• 摘要9-11
• Abstract11-14
• 第一章 绪论14-30
• 1.1 前言14-15
• 1.2 TiO_2的结构和光催化性能15-17
• 1.2.1 TiO_2的结构15-16
• 1.2.2 TiO_2的光催化作用机理16-17
• 1.3 纳米TiO_2光催化剂的制备方法17-18
• 1.4 影响纳米TiO_2光催化性能的主要因素18-20
• 1.4.1 与TiO_2结构和性质有关的因素18-19
• 1.4.2 与反应条件有关的因素19-20
• 1.5 纳米TiO_2光催化剂的改性及研究现状20-25
• 1.5.1 制备特殊形貌TiO_220-21
• 1.5.2 金属离子掺杂21-22
• 1.5.3 非金属离子掺杂22-23
• 1.5.4 金属与非金属离子共掺杂23-24
• 1.5.5 半导体复合24
• 1.5.6 染料敏化24-25
• 1.5.7 表面酸化25
• 1.6 纳米TiO_2的应用25-28
• 1.6.1 空气净化25-26
• 1.6.2 水处理26-27
• 1.6.3 防雾自清洁27-28
• 1.6.4 杀菌消毒28
• 1.7 本课题的主要研究内容及创新点28-30
• 1.7.1 本课题的主要研究内容28-29
• 1.7.2 本课题的主要创新点29-30
• 第二章 纳米微叠层薄膜的制备与表征30-38
• 2.1 实验试剂及主要仪器30-31
• 2.1.1 实验试剂30
• 2.1.2 实验设备及仪器30-31
• 2.2 薄膜的制备31-35
• 2.2.1 玻璃基体的预处理31
• 2.2.2 胶体的制备31-33
• 2.2.3 纳米TiO_2及微叠层薄膜的制备33-35
• 2.3 薄膜的表征35-36
• 2.3.1 紫外-可见吸收光谱分析35
• 2.3.2 荧光光谱分析35
• 2.3.3 表面形貌分析35
• 2.3.4 物相分析35-36
• 2.3.5 比表面积及孔径分析36
• 2.3.6 差热-热重分析36
• 2.4 本章小结36-38
• 第三章 纳米SiO_2/TiO_2微叠层薄膜38-56
• 3.1 光降解的目标物38-40
• 3.2 微叠层最佳层数的确定40-42
• 3.2.1 光催化降解性能的测定40
• 3.2.2 最佳层数的确定40-42
• 3.3 纳米SiO_2/TiO_2微叠层薄膜的光催化性能42-47
• 3.3.1 紫外光下SiO_2/TiO_2微叠层薄膜的光催化性能42-46
• 3.3.2 可见光下SiO_2/TiO_2微叠层薄膜的光催化性能46-47
• 3.4 纳米SiO_2/TiO_2微叠层薄膜的表征47-53
• 3.4.1 SiO_2/TiO_2微叠层薄膜的紫外可见吸收光谱47-49
• 3.4.2 SiO_2/TiO_2微叠层薄膜的荧光光谱49
• 3.4.3 SiO_2/TiO_2微叠层薄膜的形貌分析49-51
• 3.4.4 SiO_2/TiO_2微叠层薄膜的傅里叶-红外光谱51-52
• 3.4.5 SiO_2/TiO_2微叠层薄膜的X射线光电子能谱52-53
• 3.5 纳米SiO_2/TiO_2微叠层薄膜的光催化机理53-54
• 3.6 本章小结54-56
• 第四章 纳米SiO_2/TiO_2微叠层薄膜的改性研究56-88
• 4.1 过渡金属Co~(2+)掺杂的SiO_2/TiO_2微叠层薄膜56-66
• 4.1.1 Co~(2+)掺杂SiO_2/TiO_2微叠层薄膜的制备56-57
• 4.1.2 紫外光下Co~(2+)掺杂SiO_2/TiO_2微叠层薄膜的光催化性能57-61
• 4.1.3 可见光下Co~(2+)掺杂SiO_2/TiO_2微叠层薄膜的光催化性能61-63
• 4.1.4 Co~(2+)掺杂SiO_2/TiO_2微叠层薄膜的紫外可见吸收光谱63-65
• 4.1.5 Co~(2+)掺杂SiO_2/TiO_2微叠层薄膜的荧光光谱65-66
• 4.2 非金属F-掺杂的SiO_2/TiO_2微叠层薄膜66-67
• 4.3 表面酸化的SiO_2/TiO_2微叠层薄膜67-70
• 4.4 Co/F共掺杂的SiO_2/TiO_2微叠层薄膜70-75
• 4.4.1 Co/F共掺杂SiO_2/TiO_2微叠层薄膜的最佳配比70
• 4.4.2 单掺及共掺SiO_2/TiO_2微叠层薄膜对其他污染物的降解70-75
• 4.5 金属掺杂和表面酸化共改性的SiO_2/TiO_2微叠层薄膜75-79
• 4.5.1 共改性SiO_2/TiO_2微叠层薄膜的最佳配比75
• 4.5.2 单独改性及共改性SiO_2/TiO_2微叠层薄膜对其他污染物的降解75-79
• 4.6 共改性SiO_2/TiO_2微叠层薄膜的表征79-85
• 4.6.1 共改性SiO_2/TiO_2微叠层薄膜的紫外可见光谱79-81
• 4.6.2 共改性SiO_2/TiO_2微叠层薄膜的荧光光谱81
• 4.6.3 共改性SiO_2/TiO_2的XRD图谱81-82
• 4.6.4 共改性SiO_2/TiO_2的DTA-TG曲线82-83
• 4.6.5 共改性SiO_2/TiO_2的N2吸脱附曲线83-84
• 4.6.6 共改性SiO_2/TiO_2薄膜的形貌分析84-85
• 4.7 本章小结85-88
• 第五章 纳米ZnO/TiO_2微叠层薄膜88-98
• 5.1 纳米ZnO/TiO_2微叠层薄膜的制备88-89
• 5.2 纳米ZnO/TiO_2微叠层薄膜的改性研究89-93
• 5.2.1 过渡金属离子Co~(2+)掺杂的ZnO/TiO_2微叠层薄膜89-90
• 5.2.2 非金属离子F-掺杂的ZnO/TiO_2微叠层薄膜90-91
• 5.2.3 H_3BO_3表面酸化的ZnO/TiO_2微叠层薄膜91-92
• 5.2.4 Co/F共掺杂的ZnO/TiO_2微叠层薄膜92-93
• 5.2.5 Co/H_3BO_3共掺杂的ZnO/TiO_2微叠层薄膜93
• 5.3 共改性纳米ZnO/TiO_2微叠层薄膜的表征93-96
• 5.4 本章小结96-98
• 第六章 结论98-100
• 参考文献100-110
• 致谢110-112
• 附录112

【参考文献】

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本文编号：882294