二氧化鈦復合薄膜的制備及其光催化降解有機污染物.pdf

1、二氧化鈦是一種催化活性高、無毒無污染、價格低廉、性質(zhì)穩(wěn)定的n型半導體光催化劑，然而，TiO2存在兩大方面的缺陷:一是TiO2的禁帶寬度比較大，帶隙能為3.2eV，也就是說二氧化鈦只有在受到波長小于387.5nm的紫外燈照射時才會激發(fā)產(chǎn)生光生電子和空穴，但是紫外光在太陽光中所占的比例還不足5％，這使二氧化鈦在日常應(yīng)用中對太陽光的利用率極低;二是光生電子和空穴很不穩(wěn)定且非常容易發(fā)生復合，這嚴重降低了二氧化鈦的光催化性能。從而，減小帶隙能和降

2、低電子空穴對的復合率成為了拓寬TiO2的應(yīng)用領(lǐng)域及改善其光催化活性的重要突破口。
　　為了實現(xiàn)上述突破，必然要對TiO2進行改性研究。迄今為止，研究者已經(jīng)研制出許多應(yīng)用于TiO2改性的方法，其中離子摻雜和半導體復合是我們在本研究中所采用的兩種改性方法，改性處理不僅將TiO2的光響應(yīng)范圍拓寬到可見光區(qū)域，而且大大降低了光生電子-空穴對的復合率。
　　本論文主要研究了以下幾個方面:
　　(1)TiO2薄膜及TiO2-ZnO

3、復合薄膜的制備及性能測試
　　該實驗選用鈦酸四正丁酯和二水合醋酸鋅分別作為鈦源和鋅源，采用溶膠-凝膠法制備出TiO2膠體和ZnO膠體，將陳化好的膠體按一定體積混合攪拌得到TiO2-ZnO復合膠體，采用浸漬提拉法在潔凈干燥的玻璃基體上拉制薄膜，待薄膜干燥后，采用外摻雜的方法在其表面摻雜離子Ce、F、Ca、Fe、La，待離子溶液自然風干后，將薄膜置于馬弗爐中進行高溫焙燒，通過對甲醛的降解性能測試來確定離子的最佳單雙摻濃度。薄膜對有機污

4、染物降解的實驗結(jié)果表明了離子摻雜復合改性之后的TiO2薄膜光催化活性得到了顯著的提高。
　　(2)TiO2及TiO2-ZnO光催化劑的表征
　　本研究通過使用紫外-可見分光光度計(UV-vis)、熒光光譜(PL)儀、場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)、差熱-熱重分析儀(DTA-TG)、X射線衍射儀(XRD)及氮氣吸附-脫附儀(BET)，對薄膜和粉體進行了一系列的光學性能及結(jié)構(gòu)表征。紅移及熒光光譜分析結(jié)果表明了:離子摻雜和復合改性

5、不僅誘發(fā)了薄膜較強的可見光吸收，而且降低了電子-空穴對的復合率;DTA-TG及XRD結(jié)果顯示了改性后的催化劑晶型主要維持在光催化性能最好的銳鈦礦;FE-SEM及BET測試揭示了復合改性的薄膜是由較小的納米粒子構(gòu)成的，同時具有較大的比表面積。
　　(3)光催化機理的探討
　　首先，ZnO與TiO2復合后會形成交錯能級，經(jīng)光照射時，ZnO導帶上的電子會很容易地被激發(fā)到TiO2的導帶上，相反，TiO2價帶上產(chǎn)生的空穴會轉(zhuǎn)移到ZnO

6、的價帶上，因此ZnO復合后大大降低了TiO2的帶隙能及電子-空穴的復合率。其次，半徑較小的離子摻雜后會與TiO2形成摻雜能級，從而進一步減小其帶隙能;半徑較大的鑭系金屬離子摻雜后會引起TiO2的晶格扭曲，使其能夠接收更多的光生空穴并產(chǎn)生更多的自由基來氧化吸附的有機污染物分子。另外，摻雜的離子可以結(jié)合電子或空穴，阻止其復合的進行。
　　(4)應(yīng)用領(lǐng)域的拓展
　　與以往研究不同，本研究將離子摻雜后的TiO2-ZnO復合薄膜主要應(yīng)