纳米二氧化钛薄膜的制备及其光致特性研究

摘要

本论文主要研究了用不同方法制备具有光催化特性和亲水特性的纳米TiO2薄膜。第一章对二氧化钛的晶型、机理、应用及仍存在的问题进行了概述；第二章简述TiO2薄膜的光致特性；第三章研究了直流磁控溅射制备Sb掺杂TiO2的成膜特点；第四章研究了射频磁控共溅射制备光催化Ag-TiO2薄膜；第五章运用电化学的方法对TiO2薄膜的光电特性和亲水性机理进行了研究。第六章初步试验了两种钛基生长TiO2薄膜的方法。主要结果如下：1)通过直流磁控溅射方法制备的Sb掺杂TiO2薄膜是锐钛矿型。当掺杂适量时，Sb对TiO2薄膜的结晶有优化作用，同时伴随着金红石相TiO2及Ti2O3形成，薄膜的光催化能力及光致亲水性都有了显著的改善。并且随着掺杂的增加，Sb掺杂TiO2薄膜有红移现象产生。当Sb掺杂过量时，破坏了二氧化钛原有的晶格结构，劣化了薄膜表面态，光催化活性和光致亲水性反而降低。Sb起到了类似表面活性剂的作用。2)用射频磁控共溅射法制备的Ag-TiO2复合薄膜，通过控制Ag靶的溅射时间可以调节Ag与TiO2的比例，所制备的Ag-TiO2薄膜为锐钛矿结构；掺杂1.5％Ag的Ag-TiO2薄膜，在紫外光照射下其光生电流对亚甲基兰溶液的降解速率最大，这种光催化的增强主要来自于光生电子-空穴对的复合被抑制。3)通过循环伏安实验对紫外光照下TiO2薄膜电极的研究表明，紫外光照下TiO2薄膜电极可存在两种光电化学过程，一是产生光电流的快过程，二是光生电子与表面的TiO2相互作用产生Ti3+引起表面结构变化的慢过程。认为TiO2薄膜的光致亲水性的转变可能与光生电子与表面的TiO2相互作用产生Ti3+的慢过程导致的表面结构变化存在一定的内在联系。4)用湿空气氧化的方法在玻璃表面制备所得的二氧化钛薄膜具有良好的光致亲水特性以及光致催化特性。

目录

摘要

第一章引言

1.1综述

1.2TiO2材料的应用

1.2.1太阳能的利用

1.2.2环境净化

1.2.3自清洁玻璃

1.3TiO2的能带结构和晶型

1.4表面效应和量子尺寸效应

1.5光致反应机理简介

1.5.1光催化原理

1.5.2光致亲水性原理

1.6有待解决的问题

1.7 TiO2的制备方法

第二章纳米TiO2薄膜的光致特性

2.1纳米TiO2薄膜的光催化特性

2.1.1光催化原理简介

2.1.2纳米TiO2薄膜的光催化机理

2.1.3光催化特性测试及其表征

2.2 TiO2薄膜光致特性的改进

2.2.1提高TiO2的光利用率

2.2.2电子-空穴的有效分离

2.3纳米TiO2薄膜的亲水性

2.3.1亲水特性的原理

2.3.2TiO2光致亲水性机理

2.3.3亲水特性的表征

2.4光催化特性和亲水特性之间的关系

第三章纳米Sb掺杂二氧化钛薄膜的制备

3.1直流反应磁控溅射法简介

3.2薄膜的制备和分析测试

3.3结果与讨论

3.3.1 TiO2：Sb的晶体结构

3.3.2TiO2：Sb薄膜表面与近表面元素的化学态

3.3.3TiO2：Sb薄膜的表面形貌(AFM)

3.3.4TiO2：Sb薄膜的光学性质

3.3.5TiO2：Sb薄膜的光致亲水特性

3.4结论

第四章射频磁控共溅射制备光催化Ag-TiO2薄膜

4.1Ag-TiO2薄膜的制备

4.2结果与讨论

4.2.1 Ag-TiO2薄膜的吸收光谱

4.2.2光催化性能

4.2.3电化学测试

4.3结论

第五章射频磁控溅射法制备的TiO2薄膜的电化学研究

5.1TiO2薄膜的制备

5.2TiO2薄膜的薄膜结构

5.3TiO2薄膜的表面形貌

5.4紫外光照射下TiO2薄膜电极的循环伏安图

5.5结论

第六章其他方法制备纳米TiO2薄膜的初探

6.1 TiO2薄膜的制备

6.2实验与讨论

6.2.1薄膜的亲水特性

6.2.2薄膜的光催化特性

6.2.3紫外光照射下TiO2薄膜电极的循环伏安图

6.3结论

参考文献

致谢

论文独创性声明及论文使用授权声明