玻璃表面纳米TiO_2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_2O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、王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TiO2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。 【关键词】：纳米TiO_2薄膜 玻璃 溶胶-凝胶法 自清洁性能 亲水性 光催化活性
【学位授予单位】：四川大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TB383.2
【目录】：

• 摘要2-4
• 英文摘要4-9
• 第一章 绪论9-30
• 1.1 引言9-10
• 1.2 自清洁玻璃10-12
• 1.2.1 自清洁玻璃的概述10-11
• 1.2.2 自清洁玻璃的分类11-12
• 1.3 光催化作用原理12-16
• 1.3.1 TiO_2的能带结构12-13
• 1.3.2 TiO_2的光催化原理13-14
• 1.3.3 影响TiO_2薄膜光催化性能的因素14-16
• 1.4 半导体光催化剂的改性技术16-20
• 1.4.1 耦合半导体16-17
• 1.4.2 金属沉积17-18
• 1.4.3 金属离子修饰18-20
• 1.4.4 掺杂非金属20
• 1.5 纳米TiO_2薄膜的超亲水性原理20-24
• 1.5.1 基本原理20-22
• 1.5.2 影响亲水性能的因素22-24
• 1.6 纳米TiO_2薄膜的制备方法24-27
• 1.6.1 液相沉积法制备TiO_2薄膜24-25
• 1.6.2 溶胶-凝胶法制备TiO_2薄膜25-26
• 1.6.3 化学气相沉积法制备 TiO_2薄膜26
• 1.6.4 磁控溅射法制备TiO_2薄膜26-27
• 1.7 存在问题27
• 1.8 本课题研究的目的、内容及技术路线27-30
• 1.8.1 课题研究的目的27-28
• 1.8.2 课题研究的内容28
• 1.8.3 课题研究的工艺路线28-30
• 第二章 玻璃表面纳米TiO_2薄膜的制备与表征方法30-46
• 2.1 溶胶-凝胶法的探讨30-32
• 2.1.1 溶胶-凝胶法的基本概念30
• 2.1.2 溶胶-凝胶法制膜工艺的优点30-31
• 2.1.3 溶胶-凝胶法制备TiO_2的原理31-32
• 2.2 试剂和仪器32-33
• 2.2.1 实验试剂32
• 2.2.2 实验仪器32-33
• 2.3 实验体系的选择33-39
• 2.3.1 钛醇盐的选择33-34
• 2.3.2 溶剂的选择34
• 2.3.3 组分的选择34-35
• 2.3.4 催化剂的选择35-36
• 2.3.5 掺杂离子的选择36-37
• 2.3.6 加水量的影响37
• 2.3.7 热处理温度的影响37-38
• 2.3.8 实验体系的确定38-39
• 2.4 薄膜样品的制备39-41
• 2.4.1 基片的清洗39
• 2.4.2 溶胶及薄膜的制备39-41
• 2.5 纳米TiO_2薄膜的测试表征方法41-44
• 2.5.1 X射线衍射(XRD)分析41-42
• 2.5.2 薄膜表面形貌的测定42-43
• 2.5.3 TiO_2薄膜的光学性能的测试43
• 2.5.4 光催化性能测试43-44
• 2.5.5 亲水性能测试44
• 2.6 小结44-46
• 第三章 玻璃表面TiO_2薄膜的性能研究46-68
• 3.1 X射线衍射分析46-50
• 3.1.1 纳米TiO_2粉体的XRD分析46-48
• 3.1.2 不同掺铁量的XRD分析及对TiO_2粒径的影响48-49
• 3.1.3 不同煅烧温度的XRD分析49-50
• 3.2 扫描电镜分析50-51
• 3.3 薄膜的表观现象51-52
• 3.4 薄膜的光学性能研究52-55
• 3.4.1 掺铁离子薄膜在紫外可见光区域的吸收光谱52-53
• 3.4.2 掺铁薄膜不同镀膜层数的透光率53-54
• 3.4.3 薄膜的雾度和透光率54-55
• 3.5 光催化性能研究55-60
• 3.5.1 不同铁离子掺杂量对光催化性能的影响55-56
• 3.5.2 热处理温度对光催化性能的影响研究56-58
• 3.5.3 镀膜层数对光催化性能的影响研究58-59
• 3.5.4 不同光源对薄膜光催化活性的影响研究59-60
• 3.6 亲水性能研究60-66
• 3.6.1 接触角60-62
• 3.6.2 铁离子掺杂浓度对亲水性能的影响62-63
• 3.6.3 薄膜厚度对亲水性能的影响63-64
• 3.6.4 热处理温度对TiO_2薄膜的亲水性能的影响64-65
• 3.6.5 光源对薄膜亲水性的影响65-66
• 3.7 小结66-68
• 第四章 结论68-69
• 参考文献69-73
• 致谢73-74
• 攻读硕士学位期间已发表和完成的论文74-75

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