纳米TiO2薄膜及其复合薄膜的制备与光催化性能研究

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1、青岛科技大学硕士学位论文纳米TiO<,2>薄膜及其复合薄膜的制备与光催化性能研究姓名：刘凡新申请学位级别：硕士专业：材料物理与化学指导教师：崔作林20030518纳米Ti如薄膜及其复合薄膜的制备与光催化性能研究纳米TiOz薄膜及其复合薄膜的制备与光催化性能研究摘要纳米二氧化钛是一种重要的无机功能材料，价廉、完全无公害且极稳定。其应用涉及微电子、太阳能利用、光催化、环境工程等应用领域。但在光催化应用领域，纳米二氧化钛粉体作为悬浮相光催化剂存在易失活、易凝聚、难回收等缺点。故本文在参阅了大量文献的基础上，利用溶胶一凝胶法制备纳米二氧化钛薄膜，负载于玻璃、硅片及多孔陶瓷等载体上，并采取金属掺杂

2、、表面多孔化、半导体耦合等方法来提高其光催化效率，取得了良好的效果，为投入实际应用提供了可能性。本文以钛酸四丁酯为前驱物，用溶胶，凝胶法以浸溃．提拉方式在玻璃基体及多孔陶瓷上制各了纳米Ti02薄膜。并对其溶胶．凝胶过程，在原料配比、螯合剂种类、反应温度、热处理、提拉方式等不同条件下进行了分析研究，结合DTG．DSC、XRD、u仁Vis和FT-IR等测试手段得出了最佳工艺。通过扫描电镜(SEM)和重量法测定了薄膜的厚度，每镀一次，薄膜的厚度增加约为0．12urn，并分析了表面的微结构。结果表明，薄膜表面无微开裂现象，膜内部比表面积大，Ti02颗粒分布均匀，薄膜中出现的锐钛矿相在(10I)面

3、有一定的择优取向。为考察Ti仍薄膜的光催化性能，通过溶胶．凝胶工艺在玻璃表面及多孔陶瓷表面制得了均匀透明的掺铈纳米Ti02薄膜，利用SEM、XRD及UV-VIS等手段对玻璃表面掺铈纳米Ti02薄膜进行了表征。且UV-VIS研究表明，掺铈纳米Ti02薄膜在近紫外的吸光度有明显提高。利用自行设计的反应器，此反应器由广口瓶改装而成。以多孔陶瓷为介质，对甲醛、甲苯等有机物进行了光催化降解研究，结果表明，掺铈纳米Ti02薄膜对甲醛甲苯有极高的光催化降解效率，催化反应近似符合零级反应动力学。最后通过质谱研究，论证了甲醛甲苯的降解历程。由于薄膜成本低廉，易于工业化，为净化室内空气及清除水中有机物污染物

4、开辟了新的途径。为提高Ti02薄膜的光催化效率及有效的利用可见光，本文利用金属掺杂可形成电子捕获中心，降低光生电子．空穴对的复合几率及可提高其光谱吸收范围的原理，采取正交表L16(4)5安排实验，考察了金属元素掺杂种类、金纳米Ti嘎薄膜及其复台薄膜的制备与光催化性能研究属含量、PEG含量、涂膜层数及光照时间对纳米Ti02复合薄膜的光催化性能的影响，从而得出最优方案。从正交表中可以看出，随着聚乙二醇(PEG)的加入，多孔Ti02薄膜表面的羟基含量也增加，薄膜表面的亲水性增强，光催化活性也提高。紫外一可见光透过光谱分析表明，随着Ti02薄膜中孔径的增大，光的散射增强，透过率减少。甲基橙溶液的

5、光催化降解实验表明，在TiO：薄膜中引入适当大小的微孔可显著增强薄膜的光催化活性，但当孔径过大(聚乙二醇含量增加)，薄膜的光催化活性减弱。本实验选用甲基橙溶液作为光降解对象，主要是由于其作为一有机染料，比较有代表性。利用Ti02光催化降解有机污染物应用的另一个重要方面就是光催化杀菌，为此比较了金属(Ce、Cu、La、Ag)掺杂光催化薄膜的抗菌性能，得出掺银Ti02薄膜抗菌效果最佳，为净化室内空气开辟了新的途径。本文还采用S01．Gel工艺在载玻片表面、多孔陶瓷表面及玻璃纤维表面制得了均匀透明的纳米Ti0：复合薄膜；以甲基橙为研究对象，紫外灯为光源，研究了甲基橙初始浓度、光照时间、催化剂载

6、体比表面积、初始溶液的pH值对甲基橙降解率的影响；并比较了半导体耦合薄膜的光催化降解能力，研究结果表明：Sn0。一Ti0：复合膜相对于其它耦合膜及金属(La)掺杂膜有较高的降解率。关键词：纳米Ti0：薄膜；溶胶一凝胶法；金属掺杂；半导体耦合；光催化纳米Ti02薄膜及其复合薄膜的制备与光催化性能研究PreparationandPhotocatalvticPropertiesofNanometerTi02TbinFilmsandNanometerTio，CompositeThinFilmsABSTRACTNanometertitaniumdioxideiswidelyusedinthefie

7、ldssuchaselectronics。solarenergy,photocatalysis，environmentalengineeringandSOon．Asimportantinorganic—functionalmaterials，ithasrelativelowprice，noharmandstability．However,inthefieldofphotocatalysis，nanometertitaniumdiox