溶胶—凝胶工艺制备二氧化钛自清洁薄膜的研究

【摘要】： 近十几年来，光催化氧化应用于环境污染物的治理已经成为环境科学研究的热点。半导体TiO_2作为一种性能优异的光催化材料，可将许多化学法、生物法无法降解的有机物完全降解为CO_2、H_2O及相应无机酸，且成本低廉，不造成二次污染，使其在废水处理、空气净化、杀菌以及自清洁和太阳能转化等方面有着十分诱人的前景。本论文对半导体光催化和亲水性的工作原理，存在问题及发展前景进行了综述，同时对二氧化钛(TiO_2)光催化的改性的研究进行了介绍。 由于TiO_2的带隙较宽(约3.2eV)，半导体的光吸收波长范围窄(主要在紫外区)，故其太阳能的利用效率低，且还存在半导体载流子的复合率高，量子化效率低等缺陷。本论文对玻璃表面TiO_2光催化薄膜作为自清洁薄膜材料进行了一系列探讨。从进行TiO_2掺杂改性和结构修饰着手，针对TiO_2自清洁性能有待提高的问题，用溶胶—凝胶浸置提拉法在玻璃基板上制备了掺HPC、掺硅、掺钒薄膜和钒、硅共掺杂，钒、铁共掺杂TiO_2薄膜，对它们的光催化性能和亲水性能作了系统的研究。 对掺HPC薄膜进行光催化活性和亲水性测试结果表明：适量(3m最佳)的HPC加入可以使二氧化钛颗粒的团聚程度降低，颗粒均匀分布，TiO_2晶粒纳米化，粗糙度增加，使TiO_2拥有更大的比表面积，使其光催化性能和亲水性均得到改善。其中3m的HPC改性的TiO_2薄膜经过紫外光照3h后表现为超亲水性。 对掺硅薄膜进行光催化活性和亲水性测试结果表明：硅掺杂提高了TiO_2薄膜光催化活性。但硅的添加量过大时，薄膜光催化活性下降，原因是产生无催化作用的二氧化硅。硅的加入对二氧化钛薄膜的亲水性没有明显影响。 对掺钒薄膜进行光催化活性和亲水性测试结果表明：掺钒后薄膜光学带隙变小，扩大了可利用光的范围，提高了TiO_2薄膜光催化活性。同时钒掺入产生电子空穴俘获阱，降低电子空穴复合，对光催化活性的提高也有贡献。而钒掺杂使TiO_2薄膜亲水性能显著提高，甚至在太阳光照下就具有亲水性。 另外，钒、硅共掺杂进一步提高了Ti_2薄膜光催化活性。选择更为合适的 浙江大学硕士毕业论文 刘琴华:溶胶.凝胶工艺制备二城化钦自清洁薄膜的研究 双离子共掺杂可能会更有效地提高TIO:的光催化。实验中发现共掺杂薄膜的亲 水性能不佳。 综上所述，本研究用溶胶凝胶制备了一系列改性的TIO:薄膜，对它们的自 清洁(光催化性能和亲水性性能)作了系统研究。研究结果发现，对光催化性能 而言，掺HPC、掺钒、掺硅和钒、硅共掺杂都对Tio:薄膜光催化活性有所提高， 但不是所有的改良都带来更好的亲水性。其中，3mHPC掺杂薄膜样品和x二0.巧 的钒掺杂薄膜光催化性能和亲水性性能都比未掺杂Tio:薄膜样品好，可作为自 清洁薄膜。 【关键词】：TiO_2 钒掺杂 硅掺杂 共掺杂 带隙 光催化 亲水性
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：TB43
【目录】：

• 第一章 绪论10-12
• 第二章 研究背景及现状12-30
• 2.1 光催化作用原理12-20
• 2.1.1 基本原理12-14
• 2.1.2 TiO_2的结构对光催化性能的影响14-16
• 2.1.2.1 晶型的影响14-15
• 2.1.2.2 晶格缺陷的影响15-16
• 2.1.2.3 晶面的影响16
• 2.1.3 光催化剂的量子尺寸效应16-17
• 2.1.4 半导体光催化剂的改性技术17-20
• 2.1.4.1 催化剂表面修饰17
• 2.1.4.2 半导体表面贵金属淀积17-18
• 2.1.4.3 半导体的金属离子掺杂18-19
• 2.1.4.4 复合半导体19-20
• 2.1.4.5 半导体的染料光敏化20
• 2.2 TiO_2超亲水性20-23
• 2.2.1 TiO_2超亲水的原理20-21
• 2.2.2 超亲水TiO_2薄膜自洁净玻璃的防雾21-23
• 2.3 TiO_2薄膜的结构与光催化性能23-26
• 2.3.1 HPC对TiO_2薄膜结构的影响23-25
• 2.3.1.1 超分散剂23-24
• 2.3.1.2 HPC24-25
• 2.3.2 硅修饰对TiO_2薄膜结构的影响25
• 2.3.3 钒、铁掺杂对TiO_2薄膜结构的影响25-26
• 2.4 光催化及亲水性在环境保护方面的应用26-28
• 2.4.1 光催化的应用26-27
• 2.4.2 TiO_2的固化技术27-28
• 2.4.3 TiO_2光催化和超亲水性在幕墙玻璃上的应用28
• 2.5 存在的问题28-30
• 第三章 薄膜的制备30-36
• 3.1 实验设备及原料30-31
• 3.1.1 实验设备30
• 3.1.2 实验原料30-31
• 3.2 样品制备31-33
• 3.2.1 薄膜样品的制备31-32
• 3.2.2 镀膜与热处理32-33
• 3.2.3 退火33
• 3.3 性能测试33-36
• 3.3.1 薄膜厚度的测量33-34
• 3.3.2 X射线衍射分析(XRD)34
• 3.3.3 扫描电镜(SEM)34
• 3.3.4 原子力显微镜(AFM)34
• 3.3.5 XPS(X-Ray Photoelectric Spectrum)测试34
• 3.3.6 紫外-可见光谱34-35
• 3.3.7 亲水性的测试35
• 3.3.8 光催化性能测试35-36
• 第四章 HPC掺杂TiO_2薄膜的光催化活性和亲水性的研究36-45
• 4.1 HPC掺杂TiO_2薄膜的实验结果36-41
• 4.1.1 薄膜样品的微观结构36-39
• 4.1.1.1 XRD36-37
• 4.1.1.2 薄膜厚度37
• 4.1.1.3 SEM37-38
• 4.1.1.4 AFM38-39
• 4.1.2 薄膜样品的紫外可见吸收光谱39-40
• 4.1.3 薄膜样品的亲水性40-41
• 4.1.4 掺HPC薄膜的光催化活性41
• 4.2 分析与讨论41-44
• 4.2.1 HPC对TiO_2微观结构的影响机理41-42
• 4.2.2 HPC对Ti_2亲水性和光催化性的影响机理42-44
• 4.3 小结44-45
• 第五章 硅掺杂对TiO_2薄膜光催化活性和亲水性的影响45-54
• 5.1 硅掺杂薄膜的实验结果45-52
• 5.1.1 TiO_2薄膜的XRD图45-46
• 5.1.2 SEM46
• 5.1.3 掺硅薄膜紫外-可见光谱46-47
• 5.1.4 XPS47-50
• 5.1.5 光催化结果50-51
• 5.1.6 亲水性测试51-52
• 5.2 结果讨论52-53
• 5.2.1 硅掺杂影响TiO_2光催化性能及亲水性的机理52-53
• 5.3 结论53-54
• 第六章 钒掺杂对TiO_2的光催化活性和亲水性的影响54-67
• 6.1 钒掺杂实验结果54-64
• 6.1.1 薄膜样品的X射线衍射分析结果54-55
• 6.1.2 薄膜样品的SEM55-56
• 6.1.3 薄膜样品的紫外-可见吸收光谱测试56-58
• 6.1.4 薄膜样品的紫外-可见透过光谱58-60
• 6.1.5 薄膜样品的光催化性能60-63
• 6.1.6 亲水性测试63-64
• 6.2 分析与讨论64-66
• 6.2.1 钒掺杂对TiO_2能带结构的影响64-65
• 6.2.2 钒掺杂对TiO_2光催化性能和亲水性的影响机理65-66
• 6.3 小结66-67
• 第七章 共掺杂对TiO_2薄膜光催化性能和亲水性能的影响67-75
• 7.1 钒、硅共掺杂的结果和讨论67-71
• 7.1.1 XRD物相分析67-68
• 7.1.2 共掺杂薄膜样品的SEM68-69
• 7.1.3 钒、硅共掺杂对光催化性能的影响69-71
• 7.1.4 钒、硅共掺杂对亲水性性能的影响71
• 7.2 硅、铁共掺杂的结果和讨论71-74
• 7.2.1 硅、铁共掺杂薄膜的光催化性能71-73
• 7.2.2 硅、铁共掺杂薄膜的亲水性性能73-74
• 7.3 小结74-75
• 第八章 结论75-77
• 参考文献77-84
• 攻读硕士期间发表的论文84-85
• 致谢85

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