CuAl2O4掺杂TiO2薄膜的制备与光催化性能的研究

论文摘要

以半导体材料为光催化剂，利用太阳能消除污染，是近年来重要的研究课题，既具有理论意义又具有实用价值。在众多光催化剂中，TiO2光催化剂以其化学和光化学性质稳定、无毒、成本小等特点而被广泛应用于污水处理、空气净化、抗菌杀菌、自清洁玻璃等领域。但TiO2光催化剂存在着禁带宽度大，只能在紫外光波段有活性和光生空穴-光生电子对容易复合两大难题，一直是人们致力于解决的课题。半导体复合是将窄带隙半导体掺杂到TiO2中，是实现扩大光回应范围的有效方法，CuAl2O4是近年来合成的一种新型可见光响应光催化剂，根据半导体复合机理，以其与TiO2复合掺杂，有望使TiO2吸收边向可见光区移动。本文采用溶胶-凝胶方法在玻璃基片上制备了CuAl2O4掺杂改性的TiO2纳米薄膜。借助于X射线衍射仪和扫描电镜SEM研究了薄膜表面的晶体结构和表面形貌，利用紫外可见光谱研究了薄膜的光谱响应，利用接触角测定仪测定了薄膜样品的亲水性能。利用重铬酸钾滴定法，测定了降解前后模拟降解液体的COD值。研究了CuAl2O4的掺杂量、光照时间、薄膜厚度对TiO2复合薄膜光催化性能的影响，利用可见-紫外分光光度计测定酸性红B降解前后的吸光度，从而计算出薄膜对染料的降解脱色率。结果表明：热处理温度550℃时，CuAl2O4掺杂量为0.5、1、1.5、2.5、3mol﹪的TiO2复合薄膜的激发极限波长，处于410-420nm之间，吸收边明显进入可见区域，特别是CuAl2O4掺杂量为2﹪的复合薄膜吸收边波长可达450nm，比纯钛膜的375nm红移了75nm。在所考察的CuAl2O4掺杂范围内，2﹪掺杂时对酸性红B水溶液的降解脱色效果最好，降解率可达67.3﹪，COD去除率可达47﹪，模拟降解液的矿化比较理想。薄膜样品的润湿性良好，且薄膜样品可多次重复使用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 第二章 文献综述
• 2.1 半导体光催化剂研究进展
• 2.1.1 二氧化钛光催化剂
• 2.1.2 尖晶石型光催化剂
• 2.1.2.1 尖晶石型化合物结构特点
• 2.1.2.2 新型尖晶石型光催化剂研究进展
• 2.1.3 其它新型光催化剂
• 2.1.3.1 隧道结构的光催化剂
• 2.1.3.2 柱状结构光催化剂
• 2.1.3.3 分子筛光催化剂
• 2.1.3.4 多金属氧酸盐光催化剂
• 2.1.3.5 无机界矿物光催化剂
• 2.1.3.6 铁（氢）氧化物矿物光催化剂
• 4（M＝Ta、Nb、V）系光催化剂'>2.1.3.7 InMO₄（M＝Ta、Nb、V）系光催化剂
• 2.1.3.8 氮氧化物、氮化物系光催化剂
• 2O 光催化剂'>2.1.3.9 Cu₂O 光催化剂
• 2.1.3.10 新型钙钛矿结构光催化剂
• 2.1.4 半导体光催化剂应用
• 2.1.4.1 水中污染物的光催化降解
• 2.1.4.2 大气及室内污染物的光催化氧化
• 2.1.4.3 杀菌除臭
• 2.1.4.4 处理重金属离子
• 2.1.4.5 自洁和防污方面的应用
• 2.1.4.6 光解水制氢
• 2.1.4.7 纳米晶太阳能电池
• 2.1.4.8 光催化在化学合成方面的应用
• 2.2 半导体光催化机理
• 2.3 半导体光催化剂改性
• 2.3.1 半导体表面贵金属沉积
• 2.3.2 半导体的金属离子掺杂
• 2.3.3 半导体的光敏化
• 2.3.4 半导体复合
• 2.4 纳米材料
• 2.4.1 纳米材料的特性
• 2.4.1.1 纳米材料的小尺寸效应
• 2.4.1.2 纳米材料的表面效应
• 2.4.1.3 体积效应
• 2.4.1.4 量子尺寸效应
• 2.4.1.5 宏观量子隧道效应
• 2.4.2 纳米材料的应用
• 2.4.2.1 在超硬、高强、高韧、超塑材料中的应用
• 2.4.2.2 磁性材料的应用
• 2.4.2.3 电子材料的应用
• 2.4.2.4 光学材料的应用
• 2.4.2.5 敏感材科的应用
• 2.4.2.6 催化材料的应用
• 2.4.2.7 生物医学用材料
• 2.5 纳米薄膜制备方法
• 2.5.1 溶胶-凝胶法
• 2.5.2 化学气相沉积法
• 2.5.3 磁控溅射法
• 2.5.4 等离子体喷涂法
• 第三章 实验方法
• 3.1 原料及设备
• 3.2 薄膜样品制备过程
• 3.2.1 玻璃基片的清洗
• 3.2.2 薄膜样品的制备
• 2薄膜制备'>3.2.2.1 纯 TiO₂薄膜制备
• 2/CuAl₂O₄复合薄膜的制备'>3.2.2.2 TiO₂/CuAl₂O₄复合薄膜的制备
• 3.3 光催化实验
• 3.4 薄膜样品的性能测试
• 3.4.1 薄膜样品晶型的测定
• 3.4.2 薄膜样品表面润湿性的测定
• 3.4.5 薄膜表面形貌的测定
• 第四章 结果与讨论
• 4.1 热处理温度对薄膜样品结构与性能的影响
• 4.1.1 热处理温度对薄膜晶形的影响
• 4.1.2 不同热处理温度下样品的表面形貌分析
• 4.1.3 热处理温度对薄膜样品光催化性能的影响
• 2O₄的不同掺杂量对薄膜样品晶相的影响'>4.2 CuAl₂O₄的不同掺杂量对薄膜样品晶相的影响
• 4.3 薄膜的光谱响应
• 4.3.1 薄膜激发波长
• 4.3.2 薄膜禁带宽度的测定
• 2O₄掺杂量对 TiO₂薄膜光催化性能的影响'>4.4 CuAl₂O₄掺杂量对 TiO₂薄膜光催化性能的影响
• 4.4.1 在 125w 高压汞灯模拟可见光照射下的光催化实验
• 4.4.2 在紫外灯光照条件下的光催化实验
• 4.5 薄膜厚度对光催化性能的影响
• 4.6 光照时间对光催化性能的影响
• 4.7 降解后液体总有机碳的测定
• 4.7.1 化学耗氧量（COD）概述
• 4.7.2 重铬酸钾法测定原理
• 4.7.3 对模拟液总有机碳的含量讨论
• 4.8 薄膜表面的亲水性测定
• 4.8.1 亲水性原理
• 4.8.2 亲水性的测定
• 4.9 薄膜样品多次光催化下对废液降解脱色率的影响
• 4.9.1 薄膜样品不经清洗处理的重复试验
• 4.9.2 经处理的薄膜样品循环降解试验
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢