掺杂TiO薄膜的电泳沉积制备及可见光催化研究

摘要

开发高效率、低能耗、无污染的功能材料是材料研究的一个重要发展方向。以TiO2为代表的半导体光催化剂，降解污染物具有速度快、能耗低、无选择性、氧化彻底、能利用太阳能等优点，而越来越受到研究者的青睐。通过掺杂改性探索将TiO2吸收波长向可见光区拓展，但纳米TiO2粉体易团聚，不易回收，而限制了其应用；本文基于此，较详细地研究了纳米TiO2薄膜的合成、改性及可见光催化降解次甲基蓝。
　　 本文采用低温水热法制备TiO2前驱体，电泳沉积法制备纳米TiO2薄膜，采用XRD、FESEM、UV-Vis对样品进行表征。XRD和FESEM检测结果表明：低温水热法制备的纳米TiO2晶型以锐钛矿为主，粒径在20～40nm间，呈管状；经电泳沉积后较均匀沉积在铝板表面；通过Mo、N共掺杂，其吸收波长有红移现象，在近可见光区有部分吸收。
　　 以次甲基蓝为对象进行光催化降解实验，分析考察了光催化剂前驱体的合成条件、电泳沉积镀膜的电场强度及时间，溶胶浓度，溶胶体系pH值，反应物的初始浓度等因素对光催化降解的影响。纳米TiO2对次甲基蓝的光催化降解实验表明：前驱体水热法合成适宜条件为，反应温度170℃，反应时间35h，溶剂量10mL，掺杂量0.002；电泳沉积的优化条件为，溶胶浓度为0.1g·L-1，pH在3.0～4.0之间，场强应分段增加。TiO2粉体与薄膜光催化降解次甲基蓝，在次甲基蓝浓度较低时，其差别不大，在次甲基蓝浓度较高时，粉体有明显的优势；所合成的纳米TiO2吸附性能较强，在黑暗条件下对次甲基蓝也有一定的脱色作用，对比光照和黑暗条件下的实验表明，在次甲基蓝低浓度时，光催化降解的优势较大，次甲基蓝浓度较高时，其吸附作用占主导地位。
　　 动力学研究表明，本实验条件下，TiO2薄膜光催化降解次甲基蓝的反应，属于一级反应，可以用L-H动力学方程描述。反应的活化能小，速率快，在较短时间内达到平衡。
　　 热力学研究表明：实验条件下，TiO2薄膜光催化降解次甲基蓝的焓变较小，TiO2对次甲基蓝的吸附以物理吸附为主，它们之间主要以范德华力结合。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1前言

1.1.1半导体光催化的原理

1.1.2二氧化钛光催化的优势

1.1.3二氧化钛光催化技术存在的问题

1.2提高二氧化钛光催化活性的常用方法

1.2.1金属离子掺杂

1.2.2非金属元素掺杂

1.2.3半导体复合

1.2.4光敏化

1.3二氧化钛薄膜的制备方法

1.3.1常见的二氧化钛薄膜的制备

1.3.2电泳沉积法

1.4二氧化钛的应用前景

1.4.1污水处理

1.4.2空气净化

1.4.3自清洁功能材料

1.4.4抗菌杀菌

1.5本文的研究目的及研究内容

第2章二氧化钛薄膜的制备及表征

2.1实验部分

2.1.1电泳沉积原理及工艺

2.1.2实验试剂及仪器

2.1.3样品的制备

2.1.4分析方法及表征

2.2结果与讨论

2.2.1前躯体的制备及电泳沉积制膜条件的选择

2.2.2紫外可见漫反射光谱分析(UV-Vis)

2.2.3差热—热重分析(TG—DTA)

2.2.4 X射线衍射分析(XRD)

2.2.5扫描电镜分析(FESEM)

2.3小结

第3章二氧化钛薄膜光催化降解次甲基蓝的研究

3.1实验部分

3.1.1实验试剂及仪器

3.1.2实验方法

3.1.3实验内容及分析方法

3.2结果与讨论

3.2.1次甲基蓝最大吸收波长的确定

3.2.2标准曲线的绘制

3.2.3次甲基蓝初始浓度对光催化剂性能的影响

3.2.4薄膜的沉积量与降解率的关系

3.2.5催化剂重复利用性

3.3 小结

第4章TiO2降解次甲基蓝动力学和热力学研究

4.1实验部分

4.1.1试剂及仪器

4.1.1实验试剂及仪器

4.1.2实验方法

4.2 TiO2降解次甲基蓝动力学方面的研究

4.2.1 TiO2降解次甲基蓝的反应级数

4.2.1 TiO2降解次甲基蓝的反应活化能

4.3 TiO2降解次甲基蓝的热力学能研究

4.4 小结

第5章结论与展望

参考文献

致谢

硕士期间发表论文