TiO_2纳米薄膜光催化剂制备技术的新进展

综述了TiO_2纳米薄膜光催化剂制备方法的最新进展,讨论了传统技术的新发展如改进的溶胶-凝胶法和微波辅助沉积法,同时也详述了水热溶剂热法、原位生长法及自组装法等新型制备技术,最后提出了TiO_2纳米薄膜制备技术今后的发展方向.     

N掺杂TiO_2薄膜的光催化性能研究

开发具有可见光活性的光催化剂,在污染物处理和光能转换等方面,都有很大的应用价值。掺杂改性则是实现TiO_2可见光活性的重要手段之一。文献表明,在非金属元素掺杂中,N掺杂效果最为理想,已经成功地将光响应波长红移到可见光区,取得了很好的光催化活性。目前所制备的N掺杂TiO_2光催化剂主要有粉末和薄膜两种。粉末状催化剂较易制备,但存在难以回收的缺点;而采用简单方法制备高催化效率的薄膜仍存在一些困难。采用溶胶-凝胶法制备了N掺杂改性的TiO_2薄膜以及SiO_2/TiO_2、FeCe/SiO_2/TiO_2等类型的复合薄膜,研究了镀膜的类型和层数、热处理温度和气氛,尿素、硫脲等不同氮源和掺杂量对薄膜光催化性能的影响;并且采用XRD、SEM、XPS、AES等分析了膜层的成分、相结构、表面形貌、膜厚、附着力,结合掺杂离子的类型、浓度、能级、电子构型、半径和化合价等因素,研究工艺条件对TiO_2的能带、异质结构的影响,研究了玻璃薄膜光催化活性变化的机理,特别是对TiO_2吸收边红移的作用机理。     

稀土掺杂TiO_2薄膜的制备及其应用研究

采用溶胶-凝胶的方法制备得到了Y、Ho、Sm和Ce掺杂的TiO2薄膜,XRD分析表明薄膜结晶性能良好,具有锐钛矿晶型。同时研究了稀土元素掺杂浓度和光照条件对薄膜性能的影响,得到了Y、Ho、Sm和Ce的最佳掺杂浓度。研究表明,稀土掺杂同未掺杂相比能提高TiO2薄膜的光催化活性,其中在最佳掺杂浓度时的光催化降解率最高,薄膜的降解率达到了90%。以Sm掺杂的TiO2薄膜降解乐果,结果表明,在太阳光照条件下比在紫外光照条件下具有更高的降解率。     

氧化电压对TiO_2薄膜阴极保护效应的影响

为弄清TiO_2薄膜对金属的保护作用,在1 mol/L的H_2SO_4溶液中,室温下,分别采用100,130,150 V直流电压对纯钛片阳极氧化制备TiO_2薄膜,采用扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪对TiO_2薄膜的组织形貌和晶型进行了分析,测量了TiO_2薄膜在模拟海水中紫外光照的时间-电极电位、极化曲线、交流阻抗谱和与45号钢的耦合电流.结果表明:氧化电压为150 V时,所制备的TiO_2薄膜对45号钢在模拟海水中的腐蚀具有较好的光阴极保护作用.     

溶胶－凝胶法制备TiO_2－CeO_2薄膜

本文报道了用溶胶－凝胶法制备ＴｉＯ＿２－ＣｅＯ＿２薄膜的工艺过程及所制在薄膜的性能。研究了在不同Ｃｅ／Ｔｉ比及催化条件下浸涂液的成膜能力、胶凝过程以及薄膜的物相和光学性能。结果表明，在浸涂液中加入水或碱会便浸涂液迅速凝胶，而加无机盐会促进老化过程。浸涂液的水解－凝胶过程对薄膜的透过率、表面形貌有显著影响。随Ｃｅ／Ｔｉ比增大，浸涂液的成膜能力变坏，而薄膜的紫外吸收增大。     

Sol－Gel法合成TiO_2纳米粉末和薄膜

用Ｓｏｌ－Ｇｅｌ法成功地合成了ＴｉＯ_２纳米粉末和薄膜．研究了工艺参数如热处理温度，保温时间等因素对材料结构和物性的影响，粉末的平均粒径为３～１００ｎｍ，比表面积为１７～２５１ｍ￣２／ｇ，其在室温至７５０℃之间经历无定形态→锐钛矿→锐钛矿与金红石共存→金红石的相交；以石英玻璃和单晶硅为基片，采用勺胶法获得了沿（１０１）择优取向的金红石薄膜，研究表明，薄膜经锐钛矿转变为金红石的转变温度固基片不同而异，但比凝胶粉末的转变温度高．     

SrCO_3/TiO_2复合薄膜太阳能电池的性能研究

采用丝网印刷法制备了SrCO3/TiO2复合薄膜电极;组装电池,研究了复合电极的光电性能。结果表明:敏化SrCO3/TiO2复合薄膜电极太阳能电池的短路电流密度、开路电压和填充因子比敏化TiO2电极电池均有增加,总的光电转换效率从3.01%提高到了3.53%,增加了17.3%。另外紫外光谱表明,SrCO3/TiO2复合薄膜电极吸附更多的染料。电化学阻抗谱研究表明,SrCO3/TiO2复合薄膜电极相对于空白TiO2电极有更小的阻抗,有利于电子在薄膜中的传输,提高了太阳能电池的性能。     

钠离子对TiO_2薄膜结构及其光催化活性的影响

采用溶胶-凝胶浸渍提拉法在不同玻璃基板上制备TiO2薄膜,并通过降解浸渍在薄膜表面的甲基蓝来评价其光催化活性。利用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱等研究了晶型、表面元素分析和光吸收性能。并采用平行电极法测定TiO2薄膜的光电流,研究了薄膜表面载流子的复合情况。结果表明,薄膜的催化性能主要与基板热扩散到薄膜中的Na+和晶相相关。Na+抑制锐钛矿相TiO2的形成,并且在一定条件下促进由锐钛矿向金红石相的转变。Na+的扩散对TiO2晶粒尺寸影响不大。重要的是,扩散至薄膜的Na+不仅影响TiO2薄膜的晶相转变,而且成为光生电子与空穴的复合中心,同时影响其光催化活性。     

退火对TiO_2磁控溅射薄膜结构和光催化活性的影响

采用磁控反应溅射制备了纯TiO_2薄膜和Fe掺杂的TiO_2薄膜,研究了退火对2种TiO_2薄膜结构和光催化活性的影响.退火前TiO_2薄膜与基体结合良好,退火后薄膜发生了开裂,薄膜与基体的结合变差.TiO_2薄膜在700℃以下退火后仍保持着锐钛矿型晶体结构,但衍射峰的强度有明显的增强,说明组成薄膜的晶粒在退火过程中长大;当退火温度高于800℃时,发生了从锐钛矿向金红石型的转变.退火后TiO_2薄膜的紫外可见光透射率有较大辐度的下降;甲基橙溶液的光催化降解速率随着退火温度升高而下降.     

TiO_2的光催化性能研究

利用第一性原理计算方法主要对非金属掺杂TiO_2可见光光催化活性进行了研究,揭示了非金属掺杂TiO_2在可见光条件下催化活性提高的本质规律。就目前为止,非金属掺杂TiO_2吸收可见光的原因主要归结为以下几点:(1)非金属掺杂引起能带变窄,从而降低光子跃迁能隙,产生可见光红移现象;(2)掺杂元素在TiO_2带隙中引入一部分间隙态,充当光子跃迁的过渡能级,减少光子吸收能量;(3)掺杂促使TiO_2产生结晶化,加大TiO_2颗粒的表面积,从而提高其催化活性。     

改性纳米TiO_2薄膜超亲水性的研究进展

纳米TiO2超亲水薄膜是新型的功能性薄膜,在自洁、防雾和生物兼容性应用等方面起着重要的作用。由于普通的TiO2薄膜禁带宽度较大,亲水性能不佳,使其实际应用受到极大的限制,改性是提高TiO2薄膜超亲水性能的重要手段。因此,对TiO2进行改性就成为该领域的关键课题之一。文中综述了纳米TiO2薄膜的超亲水性机理,以及实现超亲水性表面的改性方法。     

陶瓷表面TiO_2薄膜的制备及光催化性能研究

采用化学溶胶-凝胶法制备TiO2溶胶,用浸渍-提拉方式在陶瓷表面制成锐钛矿相TiO2薄膜。用X射线衍射法(XRD)确定了晶型及晶粒的大小;用光电子能谱测定了其微观成分及其含量;考察了7种过渡金属离子掺杂后对甲基橙降解的光催化性能的影响及其变化规律,并对陶瓷和玻璃的光催化活性进行了比较。实验结果表明:掺杂Mn及Ni离子对于提高TiO2薄膜的光催化活性有明显的促进作用,降解30min后,降解率分别达到79.7%,80.8%。瓷片和玻璃的光催化活性要视掺杂的金属离子而定,不同的掺杂离子对瓷片和玻璃的光催化活性有不同的作用效果。     

沉积法制备纳米TiO_2薄膜

利用TiO2胶体在石英玻璃表面沉积制备TiO2薄膜,用分光光度计测量TiO2薄膜的吸光度,研究沉积时间、TiO2胶体浓度、镀膜次数对TiO2薄膜的沉积吸附过程和等效膜厚的影响,讨论纳米TiO2沉积吸附的类型。结果表明,最大等效膜厚随着TiO2胶体浓度的增大而增加;最佳镀膜次数与TiO2胶体浓度无关,随着沉积时间的延长而减少;用气体吸附的B.E.T.和Langmuir吸附理论分析的纳米TiO2在石英玻璃上的沉积过程与实验结果相符。     

Ag~+/TiO_2-ZnO纳米复合薄膜的制备及双亲性能

采用溶胶-凝胶法制备了TiO2薄膜、TiO2-ZnO纳米薄膜和Ag+/TiO2-ZnO纳米薄膜。通过X射线衍射和原子力显微镜表征了样品的晶相、晶粒尺寸和形貌。以水(H2O)作为极性溶液参照物、苯(C6H6)作为非极性溶液参照物,研究了掺杂量、煅烧温度、表面处理对薄膜光致双亲性的影响。结果表明:在ZnO/TiO2复合薄膜中,适量掺杂Ag+会提高其双亲性,摩尔比为1%时最佳。煅烧温度的不同能够导致薄膜的晶粒粒径、晶型及薄膜表面的粗糙度发生变化,从而影响薄膜的双亲性能。煅烧温度为550℃、经酸溶液或热处理后Ag+/TiO2-ZnO纳米薄膜的双亲性最佳,其晶粒粒径约为21.1nm。此时,亲水角和亲油角分别为2°和0.5°。Ag+/TiO2-ZnO纳米薄膜的双亲性明显高于纯TiO2和TiO2-ZnO纳米薄膜。     

O_2/Ar比例对直流脉冲磁控溅射制备TiO_2薄膜光催化性能的影响

利用直流脉冲磁控溅射方法在不同O2/Ar比例条件下制备具有不同结构、性能的TiO2薄膜,利用台阶仪、X射线衍射仪及紫外-可见分光光度计等仪器,对薄膜的结构、透光性能、光催化性能等进行表征。研究结果表明:TiO2薄膜的结构、光催化性能等强烈依赖于沉积过程中的O2/Ar比例。在低O2/Ar比例条件下制备的TiO2薄膜,薄膜处于O控制生长阶段,相应薄膜处于高速生长状态,薄膜经退火处理后形成锐钛矿(101)相择优取向结构,同时薄膜对甲基橙溶液降解率较低。随着O2/Ar比例的增加,薄膜生长速率逐渐降低,薄膜逐渐呈现多相混合生长,经退火处理后薄膜呈现锐钛矿(101)相与(004)相的混合相结构,相应薄膜对甲基橙溶液降解率增加,在O2/Ar比为6/14时,其对甲基橙溶液降解率达到最大值,为86.45%。继续增加O2/Ar比例,在高O2/Ar比例条件下,薄膜沉积速率较低,沉积离子有充足的驰豫时间释放自身能量以寻找低能位置,因此在薄膜沉积过程中主要形成能量最低的锐钛矿(101)相结构,经退火处理后薄膜呈现锐钛矿(101)相择优取向结构,在O2/Ar比为20/0时,薄膜对甲基橙溶液降解率下降至52.15%。     

稀土Nd掺杂纳米SnO2薄膜特性

对采用真空气相沉积法在玻璃衬底上制备的稀土Nd掺杂的SnO2薄膜,进行结构、电学及光学特性的测试分析.实验表明:氧化、热处理条件为500 ℃、45 min时样品性能好.采用一步成膜工艺法制备的SnO2薄膜晶粒度较小,随掺Nd浓度的增大,从31.516 nm减小到25.927 nm;两步成膜工艺法制备的SnO2薄膜晶粒度随掺Nd浓度的增大,从45.692 nm增至66.256 nm.XRD分析,掺Nd(5 at%)薄膜沿[110]、[101]晶向的衍射峰加强,薄膜呈多晶结构.掺Nd可使薄膜透光率下降,而薄膜的薄层电阻随热处理温度升高和掺Nd浓度的增大,呈先降后升趋势.     

水热法制备稀土掺杂TiO_2薄膜及光催化降解性能研究

采用水热法,以载玻片为基片制备了稀土掺杂Ti O2薄膜。以紫外光区吸光度值为指标,确定最佳制备条件为:90℃保温2h,Ti(SO4)2溶液和尿素溶液摩尔比为10∶1,稀土掺杂量为1 mL0.5 mol/L稀土盐溶液,掺杂稀土镧Ti O2薄膜有较好的光吸收性能。利用X-射线粉末衍射法(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及电子能谱法(EDS)对Ti O2薄膜的结构及表面特性进行表征,结果表明制备的稀土掺杂Ti O2薄膜为锐钛矿型。以紫外灯为光源,降解率为指标,罗丹明B溶液降解为模型反应,考察稀土掺杂Ti O2薄膜光催化性能,结果表明,稀土掺杂Ti O2薄膜具有较高光催化活性且明显大于纯Ti O薄膜,该薄膜对罗丹明B的光催化降解率达87%以上。     

碘掺杂TiO_2薄膜电极制备和光电性能研究

以碘酸钾为碘源,钛酸丁酯为钛源,采用溶胶-凝胶法制备碘掺杂TiO2纳米粉体,采用旋涂法制成以ITO导电玻璃为基底的碘掺杂TiO2薄膜电极,并经300～600℃退火处理。采用XRD、XPS和紫外-可见吸收光谱等对样品微观结构、化学成分和光学特性进行表征,并对碘掺杂薄膜电极和纯TiO2薄膜电极的光电化学性能进行测定比较。结果显示少量碘掺入到TiO2,但经碘掺杂的TiO2紫外-可见光吸收限明显红移到可见光区（450～600nm之间）,碘掺杂TiO2薄膜电极经适当温度处理的光响应性比纯TiO2得到明显改善。     

掺银SiO2透明抗菌薄膜的制备

本文用溶胶－凝胶法在玻璃基板上制备了掺银的ＳｉＯ２透明薄膜，研究了它对大肠杆菌的抗菌效果。结果表明，掺入极微量的银即可达到很高的灭菌率。     

Zn~(2+)离子掺杂对纳米TiO_2薄膜电极表面形貌和紫外光电性能的影响

采用sol-gel法制备了Zn2+离子掺杂的锐钛矿相纳米TiO2薄膜电极。通过X射线衍射(XRD)、吸收光谱、原子力显微镜(AFM),结合光电流作用谱研究了Zn2+离子掺杂对TiO2薄膜电极表面形貌和紫外光电性能的影响。结果表明,在所选浓度范围内,Zn2+离子掺杂浓度对薄膜的相组成和紫外光吸收强度无明显作用,但可显著改变薄膜表面颗粒大小和形貌特征,从而影响电极光电性能。0.1%(摩尔分数)Zn2+离子的掺杂使膜内颗粒尺寸由30nm增大至40nm,同时使表面颗粒的生长具有一定的择优取向,颗粒形状由本征薄膜的类球形变为垂直于膜面的柱状颗粒。这一结构大幅增大了薄膜的表面积,提高了载流子在固-液界面的传输效率,促使电极光电流密度(PCD)比本征电极提高40%。随掺杂浓度的提高,表面颗粒尺寸逐渐增大,形状恢复为类球形,电极光电性能有所降低。当掺杂浓度达到5%(摩尔分数)时,颗粒粒径急剧增大至130nm,表面颗粒因熔点降低而熔合成无孔表面,导致电极PCD急剧降低。