直流反应磁控溅射制备Cu2O/TiO2复合薄膜及其光催化性能的研究

论文摘要

近年来,半导体氧化物光催化成为最热门的研究领域之一。半导体材料TiO2具有无毒,化学性质稳定,廉价,降解有机物彻底等优点,被广泛地应用于光催化领域。但是TiO2是一种禁带宽度较大的n型半导体材料,只能被紫外光所激发,太阳能的利用率大大降低,另外光激发产生的电子-空穴复合率较高,使得光催化效率也难以提高。大量研究表明,将TiO2与某些窄带半导体进行纳米尺度上的复合,利用两种半导体导带和价带的能带位置不同,不仅可以提高电子空穴的分离率,还可以提高太阳光的利用率,增强稳定性。Cu2O是一种禁带宽度较窄的p型半导体,禁带宽度约为2.2eV,能被可见光激发,具有良好的光催化性能,无毒且廉价。本论文主要工作是采用直流反应磁控溅射法在载玻片基底上制备Cu2O、TiO2单一薄膜及Cu2O/TiO2复合薄膜。利用X射线能谱仪（EDS）、X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）等测试技术来对薄膜的组分、结构、表面形貌等微观性能进行表征。采用氙灯作为光源,测定了各种薄膜对亚甲基蓝（MB）的光催化降解率。XRD的结果表明,Cu2O在溅射的过程中,晶体的生长存在择优现象,通过实验证明,不同的晶面对亚甲基蓝的光催化作用不同,（111）的光催化作用要优于（110）和（220）晶面,所以应该将溅射时间控制在5min内。对Cu2O/TiO2复合薄膜来说,当TiO2含量不变即功率100W溅射1h时,其光催化效率随着Cu2O含量的增加出现先提高而后下降,研究表明,当Cu2O含量为2.6%时,光催化效果最好,60min内MB的降解率达到了73.6%,这是因为少量的Cu2O提高了复合薄膜对太阳光的利用率并且更有利于电子-空穴的分离,但是过多则会导致电子空穴难以迁移至表面进行反应,从而降低了催化效果。同时对通入气氛和溶液pH值条件进行了考察,结果发现通入空气效果要优于N2,因为O2对光生电子的捕获增大了电子-空穴的分离率,延长了载流子的时间。从pH值的影响来看,碱性条件下要更优于酸性条件,这是因为碱性条件下更有利于·OH生成,也易于对MB分子的吸附和空穴的迁移,因此呈现出催化效果的显著差异。当pH=12时,复合薄膜的光催化效率60min内达到了97.4%。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 半导体光催化基本原理
• 1.3 光催化技术的应用
• 1.3.1 水中污染物的降解
• 1.3.2 大气污染物的降解
• 1.3.3 水解制氢
• 1.3.4 光催化的杀菌与消毒
• 1.3.5 太阳能的转化
• 1.4 光催化剂研究现状及其活性提高的主要途径
• 1.4.1 离子掺杂
• 1.4.2 贵金属沉积
• 1.4.3 光敏化
• 1.4.4 半导体复合
• 1.4.5 表面衍生及螯合作用
• 1.4.6 表面还原处理
• 1.5 纳米薄膜材料的制备方法
• 1.5.1 真空蒸发法
• 1.5.2 分子束外延法
• 1.5.3 磁控溅射法
• 1.5.4 化学气相沉积法
• 1.5.5 溶胶-凝胶法
• 1.5.6 电化学沉积法
• 1.5.7 化学镀法
• 1.6 本课题的研究目的及意义
• 2 实验准备部分
• 2.1 实验仪器
• 2.2 实验试剂与材料
• 2.3 光催化剂表征方法
• 2.3.1 X 射线衍射法（XRD）
• 2.3.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.3.3 紫外-可见分光光度法
• 2.3.4 DFT 简介
• 2.4 样品制备
• 2 薄膜的制备'>2.4.1 Ti0₂薄膜的制备
• 20 薄膜的制备'>2.4.2 Cu₂0 薄膜的制备
• 20/Ti0₂ 复合薄膜的制备'>2.4.3 Cu₂0/Ti0₂复合薄膜的制备
• 2.5 光催化测试与表征
• 2.5.1 光催化性能测试
• 2.5.2 光催化降解率的计算
• 20 薄膜的表征及其光催化活性'>3 Cu₂0 薄膜的表征及其光催化活性
• 3.1 前言
• 20 薄膜的表征'>3.2 Cu₂0 薄膜的表征
• 20 薄膜的XRD 和EDS 表征'>3.2.1 Cu₂0 薄膜的XRD 和EDS 表征
• 20 薄膜的XRD 表征'>3.2.2 不同溅射时间Cu₂0 薄膜的XRD 表征
• 20 薄膜的SEM 分析'>3.2.3 不同溅射时间Cu₂0 薄膜的SEM 分析
• 20 薄膜的紫外-可见吸收光谱'>3.2.4 不同溅射时间Cu₂0 薄膜的紫外-可见吸收光谱
• 20 不同晶面对0₂吸附分析'>3.3 Cu₂0 不同晶面对0₂吸附分析
• 20 薄膜的光催化活性'>3.4 不同溅射时间Cu₂0 薄膜的光催化活性
• 3.5 本章小结
• 20/Ti0₂复合薄膜的表征及其光催化活性'>4 Cu₂0/Ti0₂复合薄膜的表征及其光催化活性
• 4.1 前言
• 2 的表征'>4.2 Ti0₂的表征
• 2 的XRD 分析'>4.2.1 Ti0₂ 的XRD 分析
• 2 的紫外可见透射光谱分析'>4.2.2 Ti0₂的紫外可见透射光谱分析
• 20/Ti0₂ 复合薄膜的表征'>4.3 Cu₂0/Ti0₂复合薄膜的表征
• 20/Ti0₂薄膜的光催化活性'>4.4 各种Cu₂0/Ti0₂薄膜的光催化活性
• 4.5 通入气体对MB 光催化作用的影响
• 4.6 初始pH 值对MB 光催化作用的影响
• 4.7 本章小结
• 5 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录 研究生期间发表的论文