TiO2-ZnO异质结构薄膜杀菌特性研究

摘要

近年来，环境问题日趋严峻，例如细菌和病毒的传播，空气污染以及水污染等，对人类的生活健康造成了很大影响，因此对于环境领域和人类健康的应用研究也成为重点。利用纳米半导体材料的光催化杀菌作用，可以很好的消除和降解有毒化学物质。宽禁带半导体金属氧化物，例如TiO2和ZnO，在紫外光下，通过光催化作用，可以降解各种有机污染物，进而应用到杀菌领域。然而，光生电子-空穴对的复合阻碍了这些半导体材料的应用。因此，抑制半导体材料中的光生电子-空穴对的复合对于提高其光催化杀菌作用非常重要。本论文中，我们利用过渡金属掺杂半导体材料制备了Fe3+-TiO2，来提高半导体材料的光催化杀菌性能。而在这些改性的纳米结构中，基于半导体异质结构纳米催化剂的杀菌效果最好，这是由于它们具有极好的光催化性能，因此本论文选择TiO2-ZnO异质结构作为目标材料，并利用溶胶-凝胶法，通过Fe3+掺杂制备出Fe3+-TiO2/ZnO异质结纳米催化剂，并在不同条件下进行杀菌测试。
　　 同时我们通过XRD，AFM，SEM及XPS技术对薄膜进行了表征分析，得出ZnO薄膜经过300℃到600℃之间的热处理后，薄膜的形貌和晶体结构都非常均一，排列较紧密，膜面比较平整，没有发生龟裂现象。Fe3+-TiO2薄膜在同样温度热处理后，得出薄膜表面比较致密，较为粗糙，并有大量晶粒，这样较大的比表面积有利于光催化反应对进行。
　　 此外，我们对薄膜进行了杀菌测试，单层Fe3+-TiO2薄膜与Fe3+-TiO2/ZnO薄膜相比，后者的抗菌性能更强。并在不同对条件下薄膜进行了杀菌测试，可见光和紫外光照射条件下对比，得出紫外光条件下Fe3+-TiO2/ZnO薄膜具有更好的杀菌性能。施加电场后，使更多的光生空穴移到TiO2薄膜的表面，这样更加有利于薄膜的光催化反应进而提高其杀菌特性。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 细菌、真菌对环境的危害

1．2 抗菌材料的分类及评价方法

1．2．1 无机抗菌材料

1．2．2 有机抗菌材料

1．2．3 抗菌材料性能评价方法

1．3 纳米异质结光催化材料及提高光催化剂性能方法

1．3．1 纳米异质结光催化材料

1．3．2 提高纳米光催化剂性能的方法

1．4 光催化剂在抗菌领域的发展

1．4．1 抗菌涂层

1．4．2 抗菌玻璃

1．4．3 抗菌塑料

1．4．4 抗菌陶瓷

1．5 论文研究依据与思路

第2章 ZnO薄膜制备与表征

2．1 光催化型抗菌材料ZnO

2．1．1 纳米ZnO材料简介

2．1．2 纳米ZnO材料的常用制备方法

2．1．3 纳米ZnO的光催化原理

2．2 溶胶-凝胶法制备ZnO薄膜

2．2．1 试剂与仪器

2．2．2 衬底的预处理

2．2．3 ZnO溶胶的合成

2．2．4 ZnO薄膜的制备

2．2．5 ZnO薄膜制备工艺流程

2．3 纳米ZnO薄膜的表征

2．3．1 扫描电子显微镜形貌分析测试(SEM)

2．4 本章小结

第3章 Fe3+-TiO2及Fe3+-TiO2／ZnO薄膜制备与表征

3．1 光催化型抗菌材料TiO2

3．1．1 纳米TiO2材料简介

3．1．2 纳米TiO2材料的常用制备方法

3．1．3 纳米TiO2的光催化原理

3．2 溶胶-凝胶法制备Fe3+-TiO2薄膜

3．2．1 衬底的预处理

3．2．2 试剂与仪器

3．2．3 Fe3+-TiO2溶胶的合成

3．2．4 Fe3+-TiO2薄膜的制备

3．2．5 薄膜制备工艺流程

3．3 溶胶-凝胶法制备Fe3+-TiO2／ZnO薄膜

3．3．1 衬底的预处理

3．3．2 试剂与仪器

3．3．3 Fe3+-TiO2／ZnO薄膜制备工艺流程

3．4 纳米Fe3+-TiO2薄膜的表征

3．4．1 扫描电子显微镜形貌分析测试(SEM)

3．4．2 X射线衍射结构分析测试(XRD)

3．4．3 原子力显微镜表面分析测试(AFM)

3．4．4 X射线光电子能谱元素分析测试(XPS)

3．5 本章小结

第4章 Fe3+-TiO2及Fe3+-TiO2／ZnO薄膜抗菌测试

4．1 薄膜抗菌性能测试

4．1．1 Fe3+-TiO2薄膜抗菌机理讨论

4．1．2 Fe3+-TiO2／ZnO薄膜抗菌机理讨论

4．2 薄膜抗菌实验部分

4．2．1 菌种与培养基

4．2．2 主要材料与仪器

4．2．3 测定细菌浓度方法

4．2．4 抗菌性能测试方法

4．3 不同条件下薄膜定性抗菌测试

4．3．1 单层Fe3+-TiO2薄膜抗菌性能测试

4．3．2 施加电场条件下Fe3+-TiO2／ZnO薄膜抗菌测试

4．3．3 紫外-可见光下Fe3+-TiO2／ZnO薄膜抗菌测试

4．4 本章小结

结论

参考文献

致谢

声明