二氧化钛光催化薄膜的制备与表征研究

论文摘要

高效TiO2光催化剂的制备是TiO2光催化领域中的重要课题之一,其中TiO2的负载化是TiO2光催化剂的发展方向,也是TiO2光催化剂真正工业化应用的方向。用热解法和电泳法进行TiO2的负载简单易行,成本低廉,具有重要的实用价值。本文以热解法和电泳法作为负载方法,探讨了制备TiO2薄膜的制备工艺,研究了TiO2薄膜的光催化性能,并用XRD,AFM,SEM,FTIR等手段对薄膜进行了表征。本文首先研究了蒸发热解法制备TiO2的方法。将钛酸丁酯（Ti（OBu）4）分散在无水乙醇,并用乙酰丙酮（ACAC）作为螯合剂来稳定钛酸丁酯,防止其水解,然后将该溶液在一定温度下蒸发并使其在玻璃基体上分解沉积,形成TiO2薄膜。实验表明,Ti（OBu）4的最佳热解温度是500℃。但是,对于不同的ACAC量,为了获得最佳的光催化性能,应该采取不同的热解温度。实验表明,蒸发热解的层数对于光催化性能没有影响。SEM表明热解后得到的TiO2薄膜上形成尺寸为几百纳米的TiO2颗粒。ATR表明,薄膜层形成Ti-O-Ti键,并且有着吸附水和羟基存在。AFM表明随着温度的升高和ACAC量增加,得到的TiO2晶粒尺寸变大。本文还研究了旋涂热解法制备TiO2薄膜的工艺。将钛酸丁酯,乙酰丙酮,PEG等溶解成为乙醇溶液,将该溶液旋涂在玻璃基片上,并在一定温度下煅烧可得TiO2薄膜。实验表明五次旋涂而得的TiO2薄膜具有良好的光催化性能。DTA结果表明,该溶液在300℃开始发生分解形成无定型的TiO2,在500℃的热解温度处理可得到锐钛矿型的TiO2薄膜。组成为4ml钛酸丁酯,50mg的PEG和3ml乙酰丙酮的溶液在热解后具有最佳的光催化性能。掺杂Cu和Sn能改善TiO2薄膜的光催化性能,AFM和XRD表明掺杂后可以改善薄膜的结晶性。采用水/SDBS/异戊醇/环己烷和水/OP-10/异戊醇/环己烷的微乳体系制备纳米TiO2粉末。结果表明前驱体煅烧后得到的TiO2颗粒尺寸与微乳水滴尺寸有一定关系。同时研究了TiO2粉末在丁醇中的分散性,讨论了不同分散剂对于TiO2粉末的分散效果。实验发现在常见溶剂中丁醇对于纳米TiO2的分散效果较为理想。当分散剂三乙醇胺,吐温-80,SDBS,OP-10的重量百分数分别为1.4%,0.8%,0.8%,0.6%时,TiO2悬浮液吸光度分别达到最大,颗粒平均粒径最小,Zeta电位最大,表明该悬浮体系达到了较好的分散稳定性。本文研究了在丁醇中用粉末电泳法制备TiO2涂层,并进行光催化性能的表征。用电泳法沉积的TiO2涂层,其沉积量与外加电压、时间近似成线性关系,但沉积到一定厚度后,无论是添加PEG还是未添加PEG,电泳沉积量不再线性增加。电泳沉积量随着悬浮液的浓度增大而增大,且在一定浓度范围内接近线性关系。添加粘结剂PEG后会明显地减少TiO2的沉积量,但是光催化性能却大幅提高。随着TiO2涂层的沉积量增大,降解甲基橙的光催化活性先增大,当涂层达到一定重量后,对甲基橙的降解率则会开始下降。最后还研究了由TiO2颗粒和TiO2溶胶组成的复合TiO2溶胶,以及其电泳制备涂层的光催化性。实验发现复合溶胶的Zeta电位小于相应的溶胶Zeta电位。对于复合溶胶而言,随着PEG量的增加,其TiO2的沉积量也增加;随着TiO2粉末的浓度或TiO2溶胶的浓度增加,其沉积量有一定的增加。对于溶胶在不同温度下煅烧制备的TiO2粉末进行XRD表征,结果表明随着煅烧温度升高,粉末结晶程度提高,从200℃开始出现锐钛矿TiO2晶相,在550℃出现金红石型TiO2。光催化性能表明,由溶胶而得到的TiO2涂层的光催化性能要好于复合TiO2溶胶的光催化性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 文献综述与论文选题
• 1.1 二氧化钛光催化
• 1.1.1 引言
• 1.1.2 光催化反应机理
• 2光催化剂的活性'>1.1.3 提高TiO₂光催化剂的活性
• 1.1.3.1 量子尺寸效应
• 1.1.3.2 离子掺杂
• 1.1.3.3 表面贵金属沉积
• 1.1.3.4 复合半导体
• 1.1.3.5 染料光敏化
• 1.1.3.6 其它
• 2半导体光催化技术存在的问题'>1.1.4 TiO₂半导体光催化技术存在的问题
• 2催化剂可见光的研究'>1.1.4.1 TiO₂催化剂可见光的研究
• 2光催化剂失活的问题'>1.1.4.2 TiO₂光催化剂失活的问题
• 2催化剂负载问题'>1.1.4.3 TiO₂催化剂负载问题
• 2光催化剂'>1.2 热解法制备TiO₂光催化剂
• 2'>1.2.1 热解法制备TiO₂
• 1.2.2 钛醇盐的改性研究
• 2薄膜'>1.3 电泳沉积法制备TiO₂薄膜
• 1.3.1 电泳与DLVO模型
• 1.3.1.1 电泳沉积的机理
• 1.3.1.2 颗粒间作用与稳定机理
• 1.3.1.3 DLVO理论
• 1.3.1.4 悬浮稳定性和沉降体积
• 1.3.1.5 有机溶剂中的悬浮
• 1.3.1.6 电泳法薄膜制备工艺因素
• 2薄膜'>1.3.2 电泳法制备TiO₂薄膜
• 2胶团结构'>1.3.2.1 TiO₂胶团结构
• 2薄膜'>1.3.2.2 电泳沉积法制备TiO₂薄膜
• 1.4 选题与研究内容
• 1.4.1 论文选题
• 1.4.2 论文的主要研究内容
• 1.4.3 本论文创造性
• 2薄膜'>第2章 蒸发热解法制备TiO₂薄膜
• 2.1 引言
• 2.2 实验方法
• 2薄膜'>2.2.1 蒸发热解法制备TiO₂薄膜
• 2薄膜的光催化性能评价'>2.2.2 TiO₂薄膜的光催化性能评价
• 2薄膜和前驱体溶液的表征'>2.2.3 TiO₂薄膜和前驱体溶液的表征
• 2薄膜光催化性能的影响'>2.3 制备工艺对于蒸发热解TiO₂薄膜光催化性能的影响
• 2薄膜光催化性能的影响'>2.3.1 涂层次数对于TiO₂薄膜光催化性能的影响
• 2薄膜厚度的测量'>2.3.2 TiO₂薄膜厚度的测量
• 2薄膜的光催化性能影响'>2.3.3 热处理温度对于TiO₂薄膜的光催化性能影响
• 2薄膜的光催化性能影响'>2.3.4 ACAC量对于TiO₂薄膜的光催化性能影响
• 2.4 前驱体溶液和煅烧后所得粉末的表征
• 2.4.1 前驱体溶液煅烧后所得粉末的FTIR图谱
• 2.4.2 不同乙酰丙酮螯合的溶液的DTA表征
• 2薄膜的表征'>2.5 蒸发热解法制备TiO₂薄膜的表征
• 2薄膜的衰减全反射红外光谱分析'>2.5.1 TiO₂薄膜的衰减全反射红外光谱分析
• 2薄膜的XRD表征'>2.5.2 TiO₂薄膜的XRD表征
• 2薄膜的SEM表征'>2.5.3 TiO₂薄膜的SEM表征
• 2薄膜的AFM表征'>2.5.4 TiO₂薄膜的AFM表征
• 2.6 本章小结
• 2薄膜'>第3章 旋涂热解法制备TiO₂薄膜
• 3.1 前言
• 3.2 实验方法
• 2薄膜的制备'>3.2.1 旋涂热解TiO₂薄膜的制备
• 3.2.2 薄膜光催化性能的评价
• 2薄膜和溶液的表征'>3.2.3 旋涂热解TiO₂薄膜和溶液的表征
• 2薄膜光催化性能与表征'>3.3 旋涂热解制备TiO₂薄膜光催化性能与表征
• 2薄膜光催化性能的影响'>3.3.1 ACAC浓度对于TiO₂薄膜光催化性能的影响
• 4浓度对于TiO-2薄膜光催化性能的影响'>3.3.2 Ti（OBu）₄浓度对于TiO-2薄膜光催化性能的影响
• 2薄膜光催化性能的影响'>3.3.3 PEG浓度对于TiO₂薄膜光催化性能的影响
• 2薄膜光催化性能的影响'>3.3.4 热解温度对于TiO₂薄膜光催化性能的影响
• 2薄膜光催化性能的影响'>3.3.5 涂层层数对于TiO₂薄膜光催化性能的影响
• 3.3.6 前驱体溶液的的TG-DTA分析
• 2薄膜的XRD表征'>3.3.7 旋涂热解TiO₂薄膜的XRD表征
• 2薄膜的AFM表征'>3.3.8 旋涂热解TiO₂薄膜的AFM表征
• 2光催化薄膜的影响'>3.4 掺杂Sn对于旋涂热解TiO₂光催化薄膜的影响
• 2薄膜光催化性能的影响'>3.4.1 掺杂Sn对于旋涂热解TiO₂薄膜光催化性能的影响
• 2薄膜的XRD图'>3.4.2 掺杂Sn的旋涂热解TiO₂薄膜的XRD图
• 2薄膜的AFM图'>3.4.3 掺杂Sn的旋涂热解TiO₂薄膜的AFM图
• 2光催化薄膜的影响'>3.5 掺杂Cu对于旋涂热解TiO₂光催化薄膜的影响
• 2薄膜光催化性能的影响'>3.5.1 掺杂Cu对于旋涂热解TiO₂薄膜光催化性能的影响
• 2薄膜的XRD图'>3.5.2 掺杂Cu的旋涂热解TiO₂薄膜的XRD图
• 2薄膜的AFM图'>3.5.3 掺杂Cu的旋涂热解TiO₂薄膜的AFM图
• 3.6 本章小结
• 2粉末'>第4章 微乳法制备纳米TiO₂粉末
• 4.1 前言
• 4.2 实验方法
• 4.2.1 增溶水量和水滴尺寸的确定
• 2粉末的制备'>4.2.2 纳米TiO₂粉末的制备
• 2粉末的表征方法'>4.2.3 纳米TiO₂粉末的表征方法
• 2'>4.3 以SDBS为表面活性剂的微乳体系制备纳米TiO₂
• 4.3.1 微乳体系增溶水量的测定
• 4.3.2 微乳体系中水滴尺寸的测定
• 2粉末的XRD表征'>4.3.3 微乳法制备TiO₂粉末的XRD表征
• 2粉末'>4.4 以OP-10为表面活性剂的微乳体系制备纳米TiO₂粉末
• 4.4.1 微乳体系增溶水量的测定
• 4.4.2 微乳体系中水滴尺寸的分布
• 2粉末的XRD表征'>4.4.3 微乳法制备TiO₂粉末的XRD表征
• 2粉末的FTIR表征'>4.4.4 微乳法制备TiO₂粉末的FTIR表征
• 2粉末的TG-DTA表征'>4.4.5 微乳法制备TiO₂粉末的TG-DTA表征
• 2的光催化性能'>4.5 制得TiO₂的光催化性能
• 4.6 本章小结
• 2粉末在丁醇中的分散性影响'>第5章 分散剂对于TiO₂粉末在丁醇中的分散性影响
• 5.1 前言
• 5.2 实验方法
• 2粉体在不同溶剂中的沉降'>5.2.1 TiO₂粉体在不同溶剂中的沉降
• 2粉体在丁醇中的分散'>5.2.2 TiO₂粉体在丁醇中的分散
• 5.3 结果与讨论
• 2分散性影响'>5.3.1 三乙醇胺对TiO₂分散性影响
• 2分散性影响'>5.3.2 Tween-80对TiO₂分散性影响
• 2分散性影响'>5.3.3 SDBS对TiO₂分散性影响
• 2分散性影响'>5.3.4 乳化剂OP-10对TiO₂分散性影响
• 2分散性的机理分析'>5.3.5 表面活性剂对于TiO₂分散性的机理分析
• 5.4 本章小结
• 2涂层'>第6章 电泳法制备TiO₂涂层
• 6.1 前言
• 6.2 实验方法
• 2涂层'>6.2.1 电泳法制备TiO₂涂层
• 6.2.2 电泳涂层光催化性能的测定
• 6.3 实验结果与讨论
• 2涂层沉积量的影响'>6.3.1 电泳电压对TiO₂涂层沉积量的影响
• 2粉末浓度对TiO₂涂层沉积量的影响'>6.3.2 TiO₂粉末浓度对TiO₂涂层沉积量的影响
• 2涂层沉积量的影响'>6.3.3 电泳时间对TiO₂涂层沉积量的影响
• 2涂层沉积量对光催化性的影响'>6.3.4 TiO₂涂层沉积量对光催化性的影响
• 2电泳沉积层的SEM图'>6.3.5 TiO₂电泳沉积层的SEM图
• 6.4 本章结论
• 2涂层'>第7章 复合溶胶电泳制备TiO₂涂层
• 7.1 前言
• 7.2 实验方法
• 2溶胶的制备'>7.2.1 TiO₂溶胶的制备
• 2溶胶的制备'>7.2.2 复合TiO₂溶胶的制备
• 2溶胶电泳薄膜的制备'>7.2.3 复合TiO₂溶胶电泳薄膜的制备
• 2溶胶薄膜的光催化性能'>7.2.4 复合TiO₂溶胶薄膜的光催化性能
• 2溶胶的Zeta电位'>7.3 复合TiO₂溶胶的Zeta电位
• 7.3.1 pH值对复合溶胶Zeta电位影响
• 7.3.2 粉末对于复合溶胶的Zeta电位的影响
• 7.3.3 PEG对于复合溶胶的Zeta电位的影响
• 2涂层沉积的影响'>7.4 复合溶胶配比对于TiO₂涂层沉积的影响
• 7.4.1 复合溶胶电泳沉积量与PEG的关系
• 7.4.2 复合溶胶电泳沉积量与粉体浓度的关系
• 7.4.3 复合溶胶电泳沉积量与溶胶浓度的关系
• 2溶胶在不同温度煅烧所得粉末的XRD表征'>7.5 TiO₂溶胶在不同温度煅烧所得粉末的XRD表征
• 2溶胶电泳涂层的SEM表征'>7.6 复合TiO₂溶胶电泳涂层的SEM表征
• 2溶胶电泳涂层的光催化性能'>7.7 复合TiO₂溶胶电泳涂层的光催化性能
• 7.8 本章小结
• 第8章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果