过渡和稀土金属掺杂TiO薄膜的制备及性能研究

摘要

TiO2因其有较宽的禁带宽度、氧化能力强、催化活性高，以及生物、化学、光化学稳定性好等优势一直处于光催化研究中的核心地位。作为一项新的环境污染治理技术，TiO2半导体光催化的研究、应用和开发日益受到重视，并已取得了许多突破。 本文为了改善TiO2的性能，主要做了以下工作： 1）用溶胶－凝胶法在玻璃载体上制备了不同金属元素掺杂的纳米TiO2薄膜，其中包含了铁、锰、镧、锶、铈等十来种金属元素掺杂的一元、双元、三元和不同比例掺杂的薄膜样品。 2）用原子力显微镜（AFM）观察TiO2薄膜掺杂前后的表面形貌图，发现薄膜表面比较平整，薄膜的颗粒尺寸在纳米范围，颗粒大小在20nm-35nm，高度差在4个纳米以内。 3）对样品进行紫外可见光谱测试，结果表明不同金属离子掺杂可以改变TiO2薄膜的紫外吸收边和可见光吸收度，例如：金属铁、锰、锶、镧和铈等元素掺杂可以使薄膜的吸收边明显红移并增强薄膜对可见光的吸收，而镉元素掺杂导致薄膜的光谱出现蓝移现象并且对可见光的利用也减小，薄膜的厚度和元素共掺的结果使吸收光谱有加强也有减弱。 4）对薄膜的红外光谱测试分析发现TiO2薄膜与体材相比，因为纳米粒子的一些特性，比如大的比表面导致了平均配位数下降，不饱和键和悬键增多，与常规大块材料不同，其红外光谱有很大的区别。 5）测量了样品电容Cp、损耗因子D和复阻抗随频率f的变化。根据薄膜电容频谱图发现TiO2薄膜在低频区随着频率f的增加，其电容Cp和损耗因子D急剧下降，当频率增大到一定程度的时候，Cp和D都趋近缓和。薄膜的复阻抗测试发现，金属元素的掺杂会使薄膜的复阻抗产生明显变化，其阻抗的变化大小和掺杂元素的种类及浓度都有关系。