纳米二氧化钛薄膜的制备及金属离子掺杂对其结构和性能的影响

摘要

近年来，随着全球工业化进程的迅速发展，环境问题日趋严峻。各国都将环境污染治理作为头等大事，纷纷投入巨资用于环境净化材料和环境污染治理技术等方面的研究，其中光催化消除和降解污染物成为最活跃的一个研究方向。利用二氧化钛的光催化氧化和亲水性，可以开发出新型的自清洁材料，并有着广泛的应用前景。 本实验采用溶胶－凝胶法制备了掺杂Mg2+和Li+的TiO2薄膜。采用SEM、UV－Vis、XRD、XPS、IR等手段系统的对薄膜和粉末样品进行表征，并对掺杂前后TiO2薄膜亲水性能和光催化降解甲基橙溶液进行研究。主要研究进展及成果如下： 1. 在紫外光的照射下，TiO2薄膜表现了明显的亲水性，且对低浓度甲基橙显示了明显的除去效果，同时表明薄膜的厚度对催化活性的提高只在一定范围内有效。 2. 对Mg2+掺杂的TiO2体系进行表征，发现Mg2+掺杂阻碍了TiO2的晶型转变（锐钛矿 金红石），且随着Mg2+掺杂量的增加，晶型转变越不容易发生；Mg2+在TiO2高温相（金红石）的固溶度低于在TiO2低温相（锐钛矿）的固溶度。掺入Mg2+后，TiO2薄膜的紫外－可见吸收光谱发生蓝移，且有良好的透光率。在紫外光的照射下，掺杂Mg2+增强了TiO2薄膜亲水性，但是却降低了对甲基橙溶液的光催化效果。 3. 对Li+掺杂的TiO2体系进行表征，发现Li+掺杂促进TiO2的晶型转变（锐钛矿 金红石），且随着Li+掺杂量的增加，这种促进作用开始增强，当掺杂量继续增加时，这种促进作用又开始减弱；Li+在TiO2高温相（金红石）的固溶度低于在TiO2低温相（锐钛矿）的固溶度。在同为金红石相时，低温热处理的样品中固溶度较高一些。掺杂Li+后，TiO2薄膜的紫外－可见吸收光谱发生蓝移，且有良好的透光率。在紫外光的照射下，掺杂Li+增强了TiO2薄膜的亲水性，但是却降低了对甲基橙溶液的光催化效果。