玻璃表面纳米TiO薄膜的制备及其自清洁性能的研究

摘要

半导体TiO<,2>作为一种性能优异的光催化材料，可将许多化学法、生物法无法降解的有机污染物降解为CO<,2>、H<,2>O等无机小分子，且成本低廉，不造成二次污染，因而在空气净化、工业废水处理以及自清洁等方面有非常广泛的应用前景。近年来，TiO<,2>光催化技术应用于环境污染物的治理已经成为环境科学研究的热点。但由于TiO<,2>粉末光催化剂在使用过程中存在分离与回收困难等问题，因而TiO<,2>薄膜光催化剂逐渐成为一个新的研究热点。钠钙玻璃应用范围广泛且价格便宜，在其表面涂上高光催化活性的TiO<,2>薄膜将会使其在自清洁玻璃等环保材料领域具有广阔的应用前景。 本文在对TiO<,2>半导体光催化和亲水性工作原理、存在问题及发展前景进行综述的基础上，系统研究了采用溶胶-凝胶法在普通钠钙玻璃表面进行纳米TiO<,2>薄膜制备的工艺以及工艺参数与薄膜光催化性能和亲水性能之间的关系。 本文针对纯TiO<,2>在实际应用中存在光吸收范围窄(仅限于紫外区)以及光生载流子很容易重新复合等缺陷，从TiO<,2>掺杂改性和结构修饰着手，用溶胶-凝胶浸渍提拉法在玻璃基体上制备了掺铁TiO<,2>薄膜。用X射线衍射(XRD)测量了纳米TiO<,2>粉体的晶型和晶粒尺寸，扫描电镜(SEM)观察了纳米TiO<,2>薄膜的表面形貌，紫外可见光谱(UV-VIS)表征了镀有纳米TiO<,2>薄膜玻璃的透光率和吸收阀值。并用甲基橙水溶液的光催化脱色来评价TiO<,2>纳米薄膜的光催化活性，利用测量紫外光照前后水滴在薄膜表面接触角的变化来评价TiO<,2>薄膜的亲水性能。 本论文主要研究了离子掺杂量、镀膜层数、不同光源及煅烧温度四个方面对纳米TiO<,2>薄膜自清洁性能的影响。掺杂了Fe<'3+>的TiO<,2>薄膜在薄膜的紫外光吸收、光催化性能以及亲水性能等都较未掺杂的有明显改善：Fe<'3+>的掺杂量不宜过大，过大会使光催化性能及亲水性能都有所降低；适量的Fe<'3+>掺杂到TiO<,2>后，不仅可以提高TiO<,2>对光的吸收强度，而且使吸收范围发生红移，可以拓展太阳光的利用范围；热处理温度对TiO<,2>薄膜的性能的影响主要体现在TiO<,2>的结构上：过低的温度下TiO<,2>不能完全结晶为光催化及亲水性能良好的锐钛矿结构，温度过高则使玻璃发生软化甚至变形。 研究结果表明：铁离子掺杂浓度为0.5％(摩尔比)、镀膜层数为4层、煅烧的时间为1.5h和退火温度为500℃时，所制备出的薄膜致密均匀，光滑透明，无彩虹效应且不开裂；紫外光照后，薄膜具有超亲水性和较强的光催化活性，在可见光下掺杂的薄膜较未掺杂的相比光催化性能也有一定的提高。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2自清洁玻璃

1.2.1自清洁玻璃的概述

1.2.2自清洁玻璃的分类

1.3光催化作用原理

1.3.1 TiO2的能带结构

1.3.2 TiO2的光催化原理

1.3.3影响TiO2薄膜光催化性能的因素

1.4半导体光催化剂的改性技术

1.4.1耦合半导体

1.4.2金属沉积

1.4.3金属离子修饰

1.4.4掺杂非金属

1.5纳米TiO2薄膜的超亲水性原理

1.5.1基本原理

1.5.2影响亲水性能的因素

1.6纳米TiO2薄膜的制备方法

1.6.1液相沉积法制备TiO2薄膜

1.6.2溶胶-凝胶法制备TiO2薄膜

1.6.3化学气相沉积法制备TiO2薄膜

1.6.4磁控溅射法制备TiO2薄膜

1.7存在问题

1.8本课题研究的目的、内容及技术路线

1.8.1课题研究的目的

1.8.2课题研究的内容

1.8.3课题研究的工艺路线

第二章玻璃表面纳米TiO2薄膜的制备与表征方法

2.1溶胶-凝胶法的探讨

2.1.1溶胶-凝胶法的基本概念

2.1.2溶胶-凝胶法制膜工艺的优点

2.1.3溶胶-凝胶法制备TiO2的原理

2.2试剂和仪器

2.2.1实验试剂

2.2.2实验仪器

2.3实验体系的选择

2.3.1钛醇盐的选择

2.3.2溶剂的选择

2.3.3组分的选择

2.3.4催化剂的选择

2.3.5掺杂离子的选择

2.3.6加水量的影响

2.3.7热处理温度的影响

2.3.8实验体系的确定

2.4薄膜样品的制备

2.4.1基片的清洗

2.4.2溶胶及薄膜的制备

2.5纳米TiO2薄膜的测试表征方法

2.5.1X射线衍射(XRD)分析

2.5.2薄膜表面形貌的测定

2.5.3TiO2薄膜的光学性能的测试

2.5.4光催化性能测试

2.5.5亲水性能测试

2.6小结

第三章玻璃表面TiO2薄膜的性能研究

3.1X射线衍射分析

3.1.1纳米TiO2粉体的XRD分析

3.1.2不同掺铁量的XRD分析及对TiO2粒径的影响

3.1.3不同煅烧温度的XRD分析

3.2扫描电镜分析

3.3薄膜的表观现象

3.4薄膜的光学性能研究

3.4.1掺铁离子薄膜在紫外可见光区域的吸收光谱

3.4.2掺铁薄膜不同镀膜层数的透光率

3.4.3薄膜的雾度和透光率

3.5光催化性能研究

3.5.1不同铁离子掺杂量对光催化性能的影响

3.5.2热处理温度对光催化性能的影响研究

3.5.3镀膜层数对光催化性能的影响研究

3.5.4不同光源对薄膜光催化活性的影响研究

3.6亲水性能研究

3.6.1接触角

3.6.2铁离子掺杂浓度对亲水性能的影响

3.6.3薄膜厚度对亲水性能的影响

3.6.4热处理温度对TiO2薄膜的亲水性能的影响

3.6.5光源对薄膜亲水性的影响

3.7小结

第四章结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表和完成的论文