负载纳米TiO2薄膜的自清洁陶瓷的制备及性能研究

论文摘要

半导体TiO2作为一种性能优异的光催化材料，在废水处理、空气净化、杀菌以及自清洁和太阳能转化等方面有着十分诱人的前景。由于粉末光催化剂在使用过程中存在分离和回收难以及产生二次污染等问题，因此薄膜光催化剂逐渐成为一个新的研究热点。自清洁陶瓷是在陶瓷表面负载TiO2薄膜，使其具有自清洁性能，在环保领域具有广阔的应用前景。本文对自清洁陶瓷的发展前景和存在问题进行了介绍；系统研究了自清洁陶瓷成膜性能和光致活性的影响因素；探讨了WO3、La3+、N掺杂对TiO2薄膜可见光致活性的影响。通过溶胶—凝胶法和浸渍—提拉工艺在陶瓷基体上制备纳米TiO2薄膜。溶胶的成分配比和提膜速度对成膜性能有很大影响，当Ti（OBu）4：EtOH为1：36、Ti（OBu）4：H2O为1：2、提膜速度为8-10cm／min时，制备的薄膜透明、均匀、附着力较好。通过XRD和SEM检测可知，TiO2的晶粒度在7-15nm，颗粒细小、致密，尺寸约为30nm。制备的纳米TiO2薄膜在紫外光照下表现出了优异的超亲水性能和光催化降解性能。前驱体浓度对其亲水性能影响不大，但对其光催化降解性能影响较大，前驱体浓度越大，其降解效果越好；煅烧温度对薄膜的光致活性也有很大影响，在500℃煅烧时，薄膜表现出了最佳的亲水性能和光催化降解性能；采取每镀膜一层煅烧一次的工艺，可提高薄膜的附着力，增强其光致活性的稳定性、持久性。由于TiO2的带隙较宽（约为3.2eV），半导体的光吸收范围窄（主要在紫外区），故对太阳能的利用率较低，且还存在半导体载流子的复合率高，量子效率低等缺陷，因此可以对TiO2进行掺杂改性，以提高其可见光的利用率和量子效率。掺杂结果表明：WO3掺杂的TiO2漫反射吸收边发生了红移，增强了对可见光的吸收，并且可见光致活性有明显提高，当掺杂量为3％时，薄膜的亲水性能和光催化降解性能最好；La3+掺杂的薄膜引起了TiO2晶胞的膨胀和晶粒度的减小，并提高了其相转变温度，对于薄膜的可见光致亲水性，La3+掺杂量存在一个最佳值，即0.5％；对于薄膜可见光照下的降解性能，随着La3+掺杂量的增加，样品降解性能先升高，再降低，随后又升高，且掺杂样品的光催化降解性能都优于未掺杂样品；N掺杂可以降低TiO2的相变温度，并使TiO2的漫反射吸收边发生了红移，对薄膜的可见光致活性有一定的改善。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 综述
• 1.1 自清洁陶瓷的研究背景、现状及意义
• 1.1.1 自清洁陶瓷的研究背景及现状
• 1.1.2 自清洁陶瓷的研究意义
• 2光催化剂的发展及其晶体结构'>1.2 TiO₂光催化剂的发展及其晶体结构
• 2光催化剂的发展简介'>1.2.1 TiO₂光催化剂的发展简介
• 2的晶体结构'>1.2.2 TiO₂的晶体结构
• 2的光致特性'>1.3 TiO₂的光致特性
• 2的光催化原理'>1.3.1 TiO₂的光催化原理
• 2的光致超亲水性机理'>1.3.2 TiO₂的光致超亲水性机理
• 2光催化剂的改性技术'>1.4 TiO₂光催化剂的改性技术
• 1.4.1 过渡金属离子掺杂
• 1.4.2 沉积贵金属
• 1.4.3 复合半导体
• 1.4.4 添加氧化剂
• 1.4.5 掺杂非金属离子
• 2的固化技术'>1.5 TiO₂的固化技术
• 1.5.1 溶胶-凝胶法
• 1.5.2 液相沉积法
• 1.5.3 物理气相沉积法
• 1.5.4 喷雾热分解法
• 1.6 自清洁陶瓷存在的问题
• 1.7 本文研究目的、研究内容及技术路线
• 1.7.1 研究目的
• 1.7.2 研究内容
• 1.7.3 技术路线
• 2薄膜的制备及性能表征方法'>第二章 TiO₂薄膜的制备及性能表征方法
• 2薄膜的制备'>2.1 TiO₂薄膜的制备
• 2.1.1 实验设备及原料
• 2.1.2 薄膜制备工艺
• 2薄膜的性能测试'>2.2 TiO₂薄膜的性能测试
• 2.2.1 X射线衍射分析（XRD）
• 2.2.2 扫描电镜（SEM）
• 2.2.3 XPS测试
• 2.2.4 傅立叶红外光谱（FT-IR）检测
• 2.2.5 紫外—可见吸收光谱分析
• 2.2.6 亲水性能测试
• 2.2.7 光催化性能测试
• 2.2.8 薄膜的附着力及稳定性、持久性
• 2薄膜的性能研究'>第三章 TiO₂薄膜的性能研究
• 2薄膜的表观特性及附着力'>3.1 TiO₂薄膜的表观特性及附着力
• 3.1.1 制备工艺参数
• 3.1.2 薄膜的表观特性
• 3.1.3 薄膜的附着力
• 2的晶体结构及微观特征'>3.2 TiO₂的晶体结构及微观特征
• 2微观结构的影响'>3.2.1 前躯体浓度对TiO₂微观结构的影响
• 2微观结构的影响'>3.2.2 煅烧温度对TiO₂微观结构的影响
• 2薄膜的微观形貌'>3.2.3 TiO₂薄膜的微观形貌
• 2溶胶和粉末的红外光谱'>3.2.4 TiO₂溶胶和粉末的红外光谱
• 2薄膜的亲水性能'>3.3 TiO₂薄膜的亲水性能
• 3.3.1 前躯体浓度对薄膜亲水性能的影响
• 3.3.2 煅烧温度对薄膜亲水性能的影响
• 3.3.3 薄膜厚度对亲水性能的影响
• 2薄膜的光催化活性'>3.4 TiO₂薄膜的光催化活性
• 3.4.1 前躯体浓度对薄膜光催化性能的影响
• 3.4.2 煅烧温度对薄膜光催化性能的影响
• 3.4.3 薄膜厚度对光催化性能的影响
• 3.5 薄膜光致活性的稳定性、持久性
• 3.6 本章小节
• 2薄膜可见光致活性的改善'>第四章 TiO₂薄膜可见光致活性的改善
• 3掺杂对TiO₂薄膜可见光致活性的改善'>4.1 WO₃掺杂对TiO₂薄膜可见光致活性的改善
• 4.1.1 实验部分
• 4.1.2 不同样品的XRD图谱分析
• 4.1.3 掺杂样品可见光照下的亲水性能
• 4.1.4 掺杂样品的可见光催化活性
• 4.1.5 煅烧温度对掺杂样品光致活性的影响
• 3+掺杂对TiO₂薄膜可见光致活性的改善'>4.2 稀土La³⁺掺杂对TiO₂薄膜可见光致活性的改善
• 4.2.1 实验部分
• 4.2.2 掺杂样品XRD图谱分析
• 4.2.3 掺杂样品的XPS分析
• 4.2.4 掺杂样品的紫外—可见漫反射吸收光谱
• 4.2.5 掺杂样品可见照下的亲水性能
• 4.2.6 掺杂样品的可见光催化活性
• 4.2.7 煅烧温度对掺杂样品光致活性的影响
• 2薄膜可见光致活性的改善'>4.3 N掺杂对TiO₂薄膜可见光致活性的改善
• 4.3.1 实验部分
• 4.3.2 掺杂样品的XRD图谱分析
• 4.3.3 掺杂样品的XPS分析
• 4.3.4 掺杂样品的紫外—可见漫反射吸收光谱
• 4.3.5 掺杂样品可见照下的亲水性能
• 4.3.6 掺杂样品的可见光催化活性
• 4.4 本章小节
• 第五章 结论
• 参考文献
• 作者在读期间科研成果简介
• 致谢