钠钙硅玻璃上TiO2薄膜光催化性能的增强研究

摘要

TiO2光催化材料具有廉价易得、氧化和还原能力强、高光学和化学稳定性以及无毒等特点，在环境净化、光裂解水产氢、光催化还原CO2、太阳能电池以及自洁净等领域具有广阔的应用前景。相比于TiO2粉末，TiO2薄膜易于回收循环使用，因此更具有大规模实际应用的前景。此外，在众多的基片材料中，钠钙硅玻璃被认为是TiO2薄膜理想的基材之一，因为其价格低廉、应用广泛（广泛应用于建筑物窗玻璃、汽车挡风玻璃以及日用玻璃器皿等）并且具有良好的化学稳定性和热稳定性。在钠钙硅玻璃上制备TiO2薄膜材料，由于窗玻璃在建筑物中具有较大的使用面积，从而有利于吸附室内各种有机污染物(VOCs)，也有利于太阳光的吸收，从而达到利用太阳光降解各种VOCs净化室内空气的目的。另外，将TiO2薄膜制备在钠钙硅玻璃上还会赋予玻璃自洁净或防雾的功能，使玻璃能够在阳光和雨水的作用下自动保持表面的整洁，从而减少人工清洗的成本。因此在过去的30年间，在钠钙硅玻璃上制备TiO2薄膜吸引了许多研究者的兴趣。 然而，目前文献报道的在钠钙硅玻璃上制备的TiO2薄膜仍然存在许多缺陷，还达不到实际应用的要求，其中包括： (1)在钠钙硅玻璃上制备的TiO2薄膜的光催化活性较低，而且其原因也不明确； (2)由于钠钙硅玻璃中Na离子的含量较高，煅烧时会热扩散进入TiO2薄膜中，但是目前对于Na离子在TiO2薄膜制备和应用过程中产生的影响存在许多不同的观点，其中大部分的研究者认为Na离子是TiO2光生电子和空穴的复合中心，Na离子对TiO2薄膜的光催化活性是有害的； (3)TiO2的光生电子和空穴容易发生复合，导致其量子效率较低，光的利用率较低； (4)研究人员很少利用自然的太阳光测试TiO2薄膜的光催化活性，对于TiO2薄膜能否利用太阳光降解VOCs缺乏可行性研究； (5)目前文献报道的在钠钙硅玻璃上制备的TiO2薄膜的光致亲水性还有待进一步提高。 本文针对目前存在的问题和不足，进行了以下方面的研究： 1.开发出了PVP改性溶胶凝胶法在钠钙硅玻璃上制备具有高结晶度和高光催化活性的TiO2薄膜，其降解丙酮和苯的光催化活性分别是采用常规溶胶凝胶法制备的TiO2薄膜的4.4和4.6倍。此外，系统地研究了PVP含量对TiO2薄膜光催化活性和结晶性能的影响，并对影响机理进行了研究。另外，测试了TiO2薄膜在太阳光下光催化降解丙酮和苯的活性。 2.系统地研究了Na离子在TiO2薄膜制备和应用过程中产生的影响，并且研究了Na离子在TiO2薄膜中存在的位置以及对TiO2能带结构的影响。研究发现Na离子会影响TiO2的结晶性能，但是Na离子不是TiO2光生电子和空穴的复合中心。 3.使用尿素作为N源，采用PVP改性溶胶凝胶法在钠钙硅玻璃上制备了N掺杂TiO2薄膜。通过调控薄膜中间隙N的含量，使TiO2薄膜紫外光下光催化降解苯的活性提高了1.5倍。 4.使用CaH2为还原剂，在真空低温条件下处理了TiO2薄膜，使其表面产生了O空位缺陷。通过调控处理温度和时间使表面O空位缺陷的浓度最优化，从而将TiO2薄膜紫外光下光催化降解苯的活性提高了3.4倍。另外，CaH2处理后的TiO2薄膜还具有优良的光催化稳定性和较高的可见光透过率，并且在太阳光下也有较高的光催化活性，因此具有良好的应用在窗玻璃上净化室内VOCs的前景。 5.测量了采用不同方法制备的TiO2薄膜的光致亲水性能，发现采用PVP改性溶胶凝胶法制备的TiO2薄膜具有光致超亲水性，在300 W氙灯下照射20 min后，其表面水的接触角为1.3°，说明其具有应用在自洁净或防雾领域的前景。

目录

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2 TiO2光催化净化VOCs及光致亲水性的机理简介

1.3 TiO2薄膜的制备方法

1.4基片材料的选择

1.5提高TiO2薄膜光催化活性的方法

1.6 TiO2薄膜的制备及应用存在的问题

1.7本论文的研究内容、目的及意义

第二章 PVP改性溶胶凝胶法在钠钙硅玻璃上制备高活性TiO2薄膜

2.1引言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4本章小结

第三章 Na离子对TiO2薄膜晶体结构和能带结构的影响

3.1引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4本章小结

第四章N掺杂TiO2薄膜的制备及其光催化性能

4.1引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.4本章小结

第五章表面氧空位对TiO2薄膜光催化性能的影响

5.1引言

5.2实验部分

5.3结果与讨论

5.4本章小结

第六章 TiO2薄膜光致亲水性能的对比研究

6.1引言

6.2实验部分

6.3结果与讨论

6.4本章小结

第七章结论和展望

7.1结论

7.2本论文的创新点

7.3展望

参考文献

博士期间发表的论文及专利

致谢