APCVD法Cu基Ti3O5复合材料的制备及性能影响因素研究

摘要

信息时代对于信息存储、传递的需求越来越高，新的研发层出不穷，目前， Ti3O5的相变可逆性成为实验热点，不同温度下 Ti3O5的晶型转变兼具为数据存储与读取的能力；同时作为光催化，拥有无毒、无污染的优良性能，但也有吸收光谱在紫外区的缺陷，而半导体的复合掺杂有助于优化催化能力。大量研究者致力于Ti3O5的制备及应用开发，寻找性能优化方法并扩展其实用性范围。
　　本文主要内容是在常压化学气相沉积法的基础上，探究Cu基Ti3O5微纳米材料（Cu2O/Ti3O5复合材料）的制备。讨论合成机理，实验分别考察沉积温度、反应时间、保温时间及Si/Ti摩尔比等条件对Ti3O5成核-晶型与晶相生长及光催化性能、亲水性方面的影响，探讨Cu2O/Ti3O5复合材料的性能优势，研究表明：
　　（1）以纯黄铜片为基底，先均匀气相沉积一层硅化膜，后在混气沉积硅化钛薄膜的基础上，成功热氧化法诱导得到 Ti3O5。最佳实验条件为温度720℃，摩尔比为3的混合气体沉积120s，后在此温度下保温120min。样品形貌显示线状Ti3O5上附着密密麻麻的小颗粒，且线状结构从团聚的基底上向四面伸长，其直径约为0.5μm，长度在7μm。
　　（2）低温时样品几乎颗粒状，大规模晶核在此生成，在温度提升到720℃，膜面长出细长浓密的线状结构，继续升温的后果是线状结构顶端团聚，晶核接触氧的机会降低，Ti3O5生成能力降低；较短的沉积时间下，由于原料的不足，只能得到“芽状”的晶核，而过长的时间，样品沉积太厚，颗粒团聚，样品形貌不佳；保温时间决定了硅化钛薄膜与氧气的反应程度，随时间延长，Ti3O5生成效率变高，并且在120min时生长状态最好，继续保温，原料消耗殆尽对复合材料产生不利影响；Si/Ti摩尔比由1增加到3的过程中，随薄膜硅化钛种类、晶相含量的变化，生成的样品Ti3O5含量变高，太高的摩尔比，样品颗粒堆积明显，Ti3O5线状结构基本消失，影响复合材料的应用。
　　（3）使用紫外光-可见光分光光度计检测 Cu基 Ti3O5微纳米材料对亚甲基蓝溶液的光催化降解进行了研究；样品表面细密的线状形貌、晶体中Ti3O5相含量以及掺杂的Cu2O等这些条件，决定了催化性能的强弱，本实验下复合材料对亚甲基蓝溶液最高降解率可达70％。借助光学接触角仪研究了复合材料的亲水性能，样品表面形貌好、结构均匀、Ti3O5晶相含量高时拥有最佳的亲水性，本实验中，复合材料的最小接触角为23°。

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第1章 绪论

1.1 概述

1.2 研究背景

1.3 氧化钛的结构和性质

1.4 氧化钛的应用研究

1.5 Ti3O5的制备方法

1.6 Cu基Ti3O5微/纳米材料的性能优势

1.7 本课题的意义和研究内容

第二章 Cu基氧化钛复合材料的制备与表征

2.1 概述

2.2 实验与仪器

2.3 实验装置与工艺路线

2.4 制备流程

2.5 性能测试方法及原理

2.6 本章小结

第三章 Cu基氧化钛复合材料的制备工艺研究

3.1 概述

3.2 Cu基氧化钛材料的表征

3.3 反应温度对氧化钛材料制备的影响

3.4 沉积时间对氧化钛材料制备的影响

3.5 保温时间对氧化钛材料制备的影响

3.6 Si/Ti摩尔比对氧化钛材料制备的影响

3.7 Ti3O5制备的热力学分析

第四章 复合材料的性能影响因素研究

4.1 光催化性能研究

4.2 亲水性能研究

4.3 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果