直流反应磁控溅射制备Cu2O/TiO2复合薄膜及其光催化性能的研究

摘要

近年来，半导体氧化物光催化成为最热门的研究领域之一。半导体材料TiO2具有无毒，化学性质稳定，廉价，降解有机物彻底等优点,被广泛地应用于光催化领域。但是TiO2是一种禁带宽度较大的n型半导体材料，只能被紫外光所激发，太阳能的利用率大大降低，另外光激发产生的电子-空穴复合率较高，使得光催化效率也难以提高。大量研究表明，将TiO2与某些窄带半导体进行纳米尺度上的复合，利用两种半导体导带和价带的能带位置不同，不仅可以提高电子空穴的分离率，还可以提高太阳光的利用率，增强稳定性。Cu2O是一种禁带宽度较窄的p型半导体，禁带宽度约为2.2eV，能被可见光激发，具有良好的光催化性能，无毒且廉价。
　　本论文主要工作是采用直流反应磁控溅射法在载玻片基底上制备Cu2O、TiO2单一薄膜及Cu2O/TiO2复合薄膜。利用X射线能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等测试技术来对薄膜的组分、结构、表面形貌等微观性能进行表征。采用氙灯作为光源，测定了各种薄膜对亚甲基蓝(MB)的光催化降解率。XRD的结果表明，Cu2O在溅射的过程中，晶体的生长存在择优现象，通过实验证明，不同的晶面对亚甲基蓝的光催化作用不同，(111)的光催化作用要优于(110)和(220)晶面，所以应该将溅射时间控制在5min内。对Cu2O/TiO2复合薄膜来说，当TiO2含量不变即功率100W溅射1h时，其光催化效率随着Cu2O含量的增加出现先提高而后下降，研究表明，当Cu2O含量为2.6％时，光催化效果最好，60min内MB的降解率达到了73.6%，这是因为少量的Cu2O提高了复合薄膜对太阳光的利用率并且更有利于电子-空穴的分离，但是过多则会导致电子空穴难以迁移至表面进行反应，从而降低了催化效果。同时对通入气氛和溶液pH值条件进行了考察，结果发现通入空气效果要优于N2，因为O2对光生电子的捕获增大了电子-空穴的分离率，延长了载流子的时间。从pH值的影响来看，碱性条件下要更优于酸性条件，这是因为碱性条件下更有利于?OH生成，也易于对MB分子的吸附和空穴的迁移，因此呈现出催化效果的显著差异。当pH=12时，复合薄膜的光催化效率60min内达到了97.4%。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 半导体光催化基本原理

1.3 光催化技术的应用

1.4 光催化剂研究现状及其活性提高的主要途径

1.5 纳米薄膜材料的制备方法

1.6 本课题的研究目的及意义

2 实验准备部分

2.1 实验仪器

2.2 实验试剂与材料

2.3 光催化剂表征方法

2.4 样品制备

2.5 光催化测试与表征

3 Cu2O薄膜的表征及其光催化活性

3.1 前言

3.2 Cu2O薄膜的表征

3.3 Cu2O不同晶面对O2吸附分析

3.4 不同溅射时间Cu2O薄膜的光催化活性

3.5 本章小结

4 Cu2O/TiO2复合薄膜的表征及其光催化活性

4.1 前言

4.2 TiO2的表征

4.3 Cu2O/TiO2复合薄膜的表征

4.4 各种Cu2O/TiO2薄膜的光催化活性

4.5 通入气体对MB光催化作用的影响

4.6 初始pH值对MB光催化作用的影响

4.7 本章小结

5 结 论

致谢

参考文献

附 录