窄带半导体InVO4掺杂TiO2薄膜可见光催化性能的研究

论文摘要

InVO4作为一种新型窄禁带半导体材料,具有可见光波段的光催化性能。本文以氯化铟（InCl3）、偏钒酸铵（NH4VO3）和轻氢氧化钾（KOH）为原料,采用低温回流法制备了InVO4溶胶,这有效的降低了合成InVO4的温度。将上述InVO4溶胶与实验室自制的回流的过氧钛酸溶胶（RS溶胶）混合获得混合溶胶,以此混合溶胶为前驱体制备了InVO4-TiO2复合光催化薄膜和梯度薄膜。通过各种表征手段讨论了工艺参数对回流处理最终产物物相、晶粒形貌、溶胶稳定性、复合薄膜的吸光性能及光催化活性的影响。实验结果表明,在回流制备工艺过程中,反应体系的pH值、回流时间和不同工艺路线对目标相的生成具有重要的影响。当pH值为8时,体系中可形成结晶度较好的InVO4晶粒。随着回流时间的增加,溶胶中的晶粒分散性会得到明显的改善,InVO4晶粒尺寸出现逐步增大的趋势。根据晶粒表面化学梯度模型讨论了InVO4溶胶在回流条件下形成的机理,其过程可以认为是在In（OH）3晶体表面形成化学梯度环境,VO43-单体和In3+离子通过原位重排而转变为正交相InVO4晶体。本实验还进行了InVO4-TiO2复合光催化薄膜和梯度薄膜在可见光照射下的光催化活性测试。结果表明在可见光照射下,10层复合光催化薄膜表现出最好的活性;在可见光照射12 h后,InVO4掺杂量为3.0wt%的复合薄膜对甲基橙的单片试样脱色率达到了33.8%。这是因为,两种半导体复合时形成了同型异质结,InVO4的外层电子吸收能量从基态跃迁至激发态,这个激发态电子注入到邻近的TiO2的导带,从而阻止光生电子和空穴在短时间内重新复合,实现InVO4的光生电子和空穴的有效分离,提高薄膜的可见光活性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 研究背景
• 2的晶体结构'>1.2 TiO₂的晶体结构
• 2的光催化机理'>1.3 TiO₂的光催化机理
• 2光催化的性能和应用'>1.4 TiO₂光催化的性能和应用
• 2光催化氧化的用途'>1.4.1 TiO₂光催化氧化的用途
• 2的自清洁功能的应用'>1.4.2 TiO₂的自清洁功能的应用
• 2光催化活性的方法'>1.5 提高TiO₂光催化活性的方法
• 1.5.1 离子掺杂
• 1.5.2 表面超强酸化
• 1.5.3 微波场处理
• 1.5.4 表面光敏化
• 1.5.5 电场协助光催化
• 1.5.6 半导体复合
• 4晶体的结构和性质'>1.6 InVO₄晶体的结构和性质
• 4的合成方法'>1.7 InVO₄的合成方法
• 1.7.1 固相反应法
• 1.7.2 ‘Chimie Douce’法
• 1.7.3 溶胶-凝胶法
• 1.8 纳米颗粒半导体复合类型
• 1.8.1 核壳型复合半导体颗粒
• 1.8.2 掺杂型复合半导体颗粒
• 1.8.3 偶合型复合半导体颗粒
• 1.9 复合半导体颗粒的制备方法
• 1.9.1 沉淀法制备硫属化合物复合型纳米微粒
• 1.9.2 囊泡作为微反应器
• 1.9.3 离子交换法
• 1.9.4 反相微乳法
• 1.10 课题的提出
• 4溶胶及复合薄膜的制备和表征'>第二章 InVO₄溶胶及复合薄膜的制备和表征
• 2.1 试验所用原料
• 2.2 回流溶胶（RS）的制备
• 4溶胶的制备'>2.3 InVO₄溶胶的制备
• 4-TiO₂复合溶胶及薄膜的制备'>2.4 InVO₄-TiO₂复合溶胶及薄膜的制备
• 4-TiO₂复合溶胶的制备'>2.4.1 InVO₄-TiO₂复合溶胶的制备
• 2.4.2 基片的处理
• 4-TiO₂复合薄膜'>2.4.3 浸渍提拉法制备InVO₄-TiO₂复合薄膜
• 2.5 光催化实验
• 2.5.1 在可见光下的光催化实验
• 2.5.2 脱色率测试
• 2.6 梯度薄膜的制备和编号结构
• 2.7 分析方法与测试
• 第三章 结果与讨论
• 3.1 五价钒的水溶液化学性质
• 4晶体机理'>3.2 回流法制备InVO₄晶体机理
• 4溶胶性能的影响'>3.3 不同工艺参数对InVO₄溶胶性能的影响
• 4溶胶宏观状态的影响'>3.3.1 不同回流时间对InVO₄溶胶宏观状态的影响
• 3.3.2 回流时间对晶体微观形貌的影响
• 3.3.3 回流过程中In （OH）3晶体的作用
• 4溶胶的影响'>3.3.4 不同pH值对InVO₄溶胶的影响
• 4溶胶的透射电镜分析'>3.4 InVO₄溶胶的透射电镜分析
• 4溶胶的XRD分析'>3.5 InVO₄溶胶的XRD分析
• 3.5.1 短时间回流后经500°C煅烧的溶胶XRD图谱
• 3.5.2 长时间回流处理的溶胶XRD图谱
• 3.6 复合薄膜光催化反应机理
• 3.6.1 不同回流时间对复合薄膜光催化性能的影响
• 3.6.2 不同拉膜次数对薄膜光催化性能的影响
• 3.6.3 不同煅烧温度对光催化性能的影响
• 3.7 梯度薄膜光催化原理及其光催化性能
• 第四章 结论
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢