發(fā)布時間：2017-09-19 15:04

  本文關(guān)鍵詞：二氧化鈦復(fù)合薄膜的微結(jié)構(gòu)及光催化性能研究

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【摘要】：二氧化鈦具有無毒,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,催化效率高,廉價易得等一系列優(yōu)良性能,因而被廣泛地應(yīng)用于光催化、仿生醫(yī)學(xué)、染料敏化太陽能電池等眾多領(lǐng)域。光催化氧化是在能量較高的紫外光照射下,材料表面能夠產(chǎn)生具有氧化還原能力的光生電子-空穴對,這些電子和空穴能夠與吸附在表面的水、氧氣發(fā)生一系列氧化還原反應(yīng),生成氧自由基和羥基自由基,這些自由基能夠?qū)⒂袡C(jī)污染物降解為小分子的水和二氧化碳等無機(jī)物,其過程耗能低且清潔無污染,是極富前景的應(yīng)用方向。然而單純二氧化鈦的禁帶寬度較大(銳鈦礦型TiO_2禁帶寬度約為3.2eV),只有波長小于387.5nm的紫外光才能激發(fā)其產(chǎn)生光催化性能。同時,由紫外光照射激發(fā)產(chǎn)生的光生電子-空穴極易復(fù)合,這兩個方面大大限制了二氧化鈦光催化劑的應(yīng)用。因此,提高二氧化鈦的光能利用率,降低光生電子-空穴的復(fù)合率,成為當(dāng)前材料工作者研究的重要任務(wù)。本文通過構(gòu)建納米微疊層結(jié)構(gòu)、離子摻雜及表面酸化對TiO_2進(jìn)行了改性,主要研究內(nèi)容如下:1.納米微疊層薄膜的制備及性能研究本實驗采用溶膠-凝膠法,分別選用鈦酸四丁酯、正硅酸乙酯及二水合醋酸鋅作為前驅(qū)體,制備了TiO_2、SiO_2及ZnO膠體。后利用浸漬提拉的方法在玻璃基底上制備出SiO_2/TiO_2、ZnO/TiO_2納米微疊層薄膜。通過觀察薄膜對酸性品紅的降解效果,確定了SiO_2/TiO_2、ZnO/TiO_2微疊層薄膜的最佳次序和最佳層數(shù)。根據(jù)摻雜改性后的微疊層薄膜對酸性品紅的降解效果確定了Co、F離子單摻、H_3BO_3表面處理的最佳濃度及復(fù)合改性的最佳配比。利用最佳濃度和最佳配比的微疊層薄膜分別對甲基綠、土霉素和甲醛進(jìn)行降解。實驗結(jié)果表明:通過構(gòu)建納米微疊層結(jié)構(gòu)、離子摻雜、酸化處理及復(fù)合改性后薄膜的光催化性能有了明顯提高,對可見光的利用率增大。2.納米微疊層薄膜的表征采用紫外-可見分光光度計(UV-vis)、熒光發(fā)射光譜儀(PL)、場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)、X射線衍射儀(XRD)、差熱-熱重分析儀(DTA-TG)等手段對微疊層薄膜進(jìn)行了一系列的光吸收行為和表面結(jié)構(gòu)的表征。UV-vis和PL結(jié)果表明微疊層薄膜及摻雜改性后的微疊層薄膜對可見光的利用率明顯提高而且光生電子-空穴的復(fù)合率也有一定程度的降低。FE-SEM結(jié)果顯示微疊層薄膜有明顯的層狀結(jié)構(gòu),摻雜改性后粒徑分布均勻、表面平整。從XRD及DTA-TG結(jié)果可以看出摻雜改性抑制了銳鈦礦相TiO_2的晶相變化,金紅石及板鈦礦相明顯減少。3.光催化機(jī)理的探討通過構(gòu)建納米微疊層結(jié)構(gòu),提高了薄膜的光催化性能,明顯拓寬了其對可見光的響應(yīng)范圍。主要是由于層與層之間的界面效應(yīng)所產(chǎn)生的靜電場作用使得光生電子-空穴能夠有效地分離;同時SiO_2作為具有大比表面積的絕緣體,對光生電子-空穴的傳輸作用明顯,有效延長了光生載流子的壽命。ZnO作為n型半導(dǎo)體,其自身具有光催化能力,經(jīng)光照射后,能夠產(chǎn)生具有氧化還原能力的光生載流子;另外,ZnO與TiO_2能夠形成交錯能級,在一定程度上降低了TiO_2的帶隙能,提高了其光催化性能。離子表面摻雜則具有以下三個方面的作用:第一,摻雜離子能夠在TiO_2內(nèi)部形成摻雜能級,降低二氧化鈦的帶隙能,從而使得價帶電子更易受光激發(fā);第二,帶有正負(fù)電荷的離子能夠作為電子/空穴捕獲阱,捕獲電子/空穴,使它們得以有效分離;第三,進(jìn)入TiO_2晶格中,產(chǎn)生晶格缺陷,抑制TiO_2晶型變化。表面酸化處理除了能夠引入摻雜離子具有以上三方面作用外,還增加了薄膜表面的羥基自由基數(shù)量,有利于其光催化性能的提高。
【關(guān)鍵詞】：微疊層 離子摻雜 復(fù)合改性 光催化
【學(xué)位授予單位】：濟(jì)南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O643.36;TB383.2
【目錄】：

• 摘要9-11
• Abstract11-14
• 第一章 緒論14-30
• 1.1 前言14-15
• 1.2 TiO_2的結(jié)構(gòu)和光催化性能15-17
• 1.2.1 TiO_2的結(jié)構(gòu)15-16
• 1.2.2 TiO_2的光催化作用機(jī)理16-17
• 1.3 納米TiO_2光催化劑的制備方法17-18
• 1.4 影響納米TiO_2光催化性能的主要因素18-20
• 1.4.1 與TiO_2結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有關(guān)的因素18-19
• 1.4.2 與反應(yīng)條件有關(guān)的因素19-20
• 1.5 納米TiO_2光催化劑的改性及研究現(xiàn)狀20-25
• 1.5.1 制備特殊形貌TiO_220-21
• 1.5.2 金屬離子摻雜21-22
• 1.5.3 非金屬離子摻雜22-23
• 1.5.4 金屬與非金屬離子共摻雜23-24
• 1.5.5 半導(dǎo)體復(fù)合24
• 1.5.6 染料敏化24-25
• 1.5.7 表面酸化25
• 1.6 納米TiO_2的應(yīng)用25-28
• 1.6.1 空氣凈化25-26
• 1.6.2 水處理26-27
• 1.6.3 防霧自清潔27-28
• 1.6.4 殺菌消毒28
• 1.7 本課題的主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點28-30
• 1.7.1 本課題的主要研究內(nèi)容28-29
• 1.7.2 本課題的主要創(chuàng)新點29-30
• 第二章 納米微疊層薄膜的制備與表征30-38
• 2.1 實驗試劑及主要儀器30-31
• 2.1.1 實驗試劑30
• 2.1.2 實驗設(shè)備及儀器30-31
• 2.2 薄膜的制備31-35
• 2.2.1 玻璃基體的預(yù)處理31
• 2.2.2 膠體的制備31-33
• 2.2.3 納米TiO_2及微疊層薄膜的制備33-35
• 2.3 薄膜的表征35-36
• 2.3.1 紫外-可見吸收光譜分析35
• 2.3.2 熒光光譜分析35
• 2.3.3 表面形貌分析35
• 2.3.4 物相分析35-36
• 2.3.5 比表面積及孔徑分析36
• 2.3.6 差熱-熱重分析36
• 2.4 本章小結(jié)36-38
• 第三章 納米SiO_2/TiO_2微疊層薄膜38-56
• 3.1 光降解的目標(biāo)物38-40
• 3.2 微疊層最佳層數(shù)的確定40-42
• 3.2.1 光催化降解性能的測定40
• 3.2.2 最佳層數(shù)的確定40-42
• 3.3 納米SiO_2/TiO_2微疊層薄膜的光催化性能42-47
• 3.3.1 紫外光下SiO_2/TiO_2微疊層薄膜的光催化性能42-46
• 3.3.2 可見光下SiO_2/TiO_2微疊層薄膜的光催化性能46-47
• 3.4 納米SiO_2/TiO_2微疊層薄膜的表征47-53
• 3.4.1 SiO_2/TiO_2微疊層薄膜的紫外可見吸收光譜47-49
• 3.4.2 SiO_2/TiO_2微疊層薄膜的熒光光譜49
• 3.4.3 SiO_2/TiO_2微疊層薄膜的形貌分析49-51
• 3.4.4 SiO_2/TiO_2微疊層薄膜的傅里葉-紅外光譜51-52
• 3.4.5 SiO_2/TiO_2微疊層薄膜的X射線光電子能譜52-53
• 3.5 納米SiO_2/TiO_2微疊層薄膜的光催化機(jī)理53-54
• 3.6 本章小結(jié)54-56
• 第四章 納米SiO_2/TiO_2微疊層薄膜的改性研究56-88
• 4.1 過渡金屬Co~(2+)摻雜的SiO_2/TiO_2微疊層薄膜56-66
• 4.1.1 Co~(2+)摻雜SiO_2/TiO_2微疊層薄膜的制備56-57
• 4.1.2 紫外光下Co~(2+)摻雜SiO_2/TiO_2微疊層薄膜的光催化性能57-61
• 4.1.3 可見光下Co~(2+)摻雜SiO_2/TiO_2微疊層薄膜的光催化性能61-63
• 4.1.4 Co~(2+)摻雜SiO_2/TiO_2微疊層薄膜的紫外可見吸收光譜63-65
• 4.1.5 Co~(2+)摻雜SiO_2/TiO_2微疊層薄膜的熒光光譜65-66
• 4.2 非金屬F-摻雜的SiO_2/TiO_2微疊層薄膜66-67
• 4.3 表面酸化的SiO_2/TiO_2微疊層薄膜67-70
• 4.4 Co/F共摻雜的SiO_2/TiO_2微疊層薄膜70-75
• 4.4.1 Co/F共摻雜SiO_2/TiO_2微疊層薄膜的最佳配比70
• 4.4.2 單摻及共摻SiO_2/TiO_2微疊層薄膜對其他污染物的降解70-75
• 4.5 金屬摻雜和表面酸化共改性的SiO_2/TiO_2微疊層薄膜75-79
• 4.5.1 共改性SiO_2/TiO_2微疊層薄膜的最佳配比75
• 4.5.2 單獨改性及共改性SiO_2/TiO_2微疊層薄膜對其他污染物的降解75-79
• 4.6 共改性SiO_2/TiO_2微疊層薄膜的表征79-85
• 4.6.1 共改性SiO_2/TiO_2微疊層薄膜的紫外可見光譜79-81
• 4.6.2 共改性SiO_2/TiO_2微疊層薄膜的熒光光譜81
• 4.6.3 共改性SiO_2/TiO_2的XRD圖譜81-82
• 4.6.4 共改性SiO_2/TiO_2的DTA-TG曲線82-83
• 4.6.5 共改性SiO_2/TiO_2的N2吸脫附曲線83-84
• 4.6.6 共改性SiO_2/TiO_2薄膜的形貌分析84-85
• 4.7 本章小結(jié)85-88
• 第五章 納米ZnO/TiO_2微疊層薄膜88-98
• 5.1 納米ZnO/TiO_2微疊層薄膜的制備88-89
• 5.2 納米ZnO/TiO_2微疊層薄膜的改性研究89-93
• 5.2.1 過渡金屬離子Co~(2+)摻雜的ZnO/TiO_2微疊層薄膜89-90
• 5.2.2 非金屬離子F-摻雜的ZnO/TiO_2微疊層薄膜90-91
• 5.2.3 H_3BO_3表面酸化的ZnO/TiO_2微疊層薄膜91-92
• 5.2.4 Co/F共摻雜的ZnO/TiO_2微疊層薄膜92-93
• 5.2.5 Co/H_3BO_3共摻雜的ZnO/TiO_2微疊層薄膜93
• 5.3 共改性納米ZnO/TiO_2微疊層薄膜的表征93-96
• 5.4 本章小結(jié)96-98
• 第六章 結(jié)論98-100
• 參考文獻(xiàn)100-110
• 致謝110-112
• 附錄112

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 趙s，

本文編號：882294