钠钙玻璃负载TiO2薄膜光催化性能影响因素研究

Zn掺杂TiO2纳米薄膜的制备及其光学性能研究开题报告一、选题背景及意义随着人类社会对环境保护意识的不断提高，清洁能源的应用越来越重要。

太阳能是一种广泛的清洁能源资源，但其利用效率仍有待提高。

目前，研究人员将其目光投向了光催化材料，通过提高其光催化性能来提高太阳能利用效率。

TiO2是一种优秀的光催化材料，具有稳定、廉价等优点，但其光催化性能有限。

为了提高其性能，目前已经开始探索掺杂TiO2的方法。

Zn可以有效地提高TiO2的光催化性能，可促进电子-空穴对的分离和减少电荷重新组合，从而提高光催化活性。

而掺杂Zn的TiO2纳米薄膜具有较小的晶粒尺寸和较大的比表面积，这使得纳米薄膜在光反应中起到更加显著的作用。

因此，本研究将探究如何制备Zn掺杂TiO2纳米薄膜，并研究其光学性能，为太阳能光催化应用提供实验依据。

二、研究内容和方案1. 研究内容1）制备不同Zn含量的TiO2纳米薄膜；2）研究不同Zn含量对TiO2纳米薄膜的表面形貌、晶型结构和光学性能的影响；3）分析不同Zn含量的TiO2纳米薄膜的光催化性能。

2. 实验方案1）制备不同Zn含量的TiO2纳米薄膜：采用溶胶-凝胶法制备，掺杂Zn的量分别为0%、1%、3%、5%、7%、10%；2）研究不同Zn含量对TiO2纳米薄膜的表面形貌、晶型结构和光学性能的影响：采用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）等测试手段观察样品的表面形貌、晶型结构和光学性质；3）分析不同Zn含量的TiO2纳米薄膜的光催化性能：采用紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）测试纳米薄膜的吸收率，并测试纳米薄膜的光分解甲醛实验，验证不同Zn含量对纳米薄膜的光催化活性的影响。

三、预期成果1）制备了不同Zn含量的TiO2纳米薄膜；2）探究了不同Zn含量对TiO2纳米薄膜的表面形貌、晶型结构和光学性能的影响；3）分析了不同Zn含量的TiO2纳米薄膜的光催化性能，为太阳能光催化应用提供实验依据；4）撰写研究成果，并在相关学术期刊上发表论文。

TiO2光催化技术的材料活性应用分析摘要：为了进一步探究TiO2的光催化特性，文中首先对TiO2光催化活性及其光催化的影响因素，接着重点探讨了基于溶胶法制备的纳米TiO2的应用，包括卫生保健、防结雾和自清洁涂层、防晒油、化妆品以及塑料等的应用。

关键词：光催化溶胶法活性自清洁光催化反应是光和物质之间相互作用的多种方式之一，是光反应和催化反应的融合，是光和催化剂同时作用下所进行的化学反应。

纳米TiO2是一种新型的无机金属氧化物材料，它是一种N型半导体材料，由于具有较大的比表面积和合适的禁带宽度，因此具有光催化氧化降解一些化合物的能力，纳米TiO2具有优异的光催化活性，并且价格便宜，无毒无害等优点因此被广泛的应用。

一、TiO2光催化活性1.TiO2光催化材料特性TiO2光催化材料的特性：原料来源丰富，廉价。

但光致电子和空穴的分离转移速度慢，复合率高，导致光催化量子效率低；光催化活性高（吸收紫外光性能强；禁带和导带之间能隙大；光生电子的还原性和空穴的氧化性强）。

只能用紫外光活化，太阳光利用率低；化学性质稳定（耐酸碱和化学腐蚀），无毒。

但粉末状TiO2在使用的过程中存在分离回收困难等问题。

2.TiO2光催化活性的光催化的影响因素光催化活性的光催化的影响因素主要如下：TiO2晶体结构的影响——在TiO2的三种晶型锐钛矿、金红石和板钛矿中，锐钛矿表现出较高的活性，这是由于锐钛矿较高的禁带宽度使其电子空穴对具有更正或更负的电位，因而具有较高的氧化能力，锐钛矿表面吸附H2O，O2及OH-的能力较强，导致光催化活性较高，在结晶过程中锐钛矿晶粒通常具有较小的尺寸及较大的比表面积，对光催反应有利。

TiO2表面结构的影响——光催化过程主要在催化剂表面发生，对于单纯的TiO2光催化剂，影响其光催化剂，影响其光催化活性的表面性质如下：表面积，尤其是充分接受光照的表面积；表面对光子的吸收能力；表面对光生电子和空穴捕获并使其有效分离的能力；电荷在表面向底物转移的能力。

不同载体对负载TiO2薄膜光催化活性影响的实验研究摘要：采用溶胶_凝胶工艺在不同载体表面制备了均匀透明的TiO2薄膜。

甲基橙水溶液的光催化降解实验表明：不同负载的TiO2薄膜具有不同的光催化活性，钛片的光催化活性最高，然后是陶瓷、不锈钢、铝片、釉面瓷砖、玻璃，铜片最低；而且其光催化活性还与负载的加热温度有关，加热温度为520℃时钛片的光催化活性最高，580℃时陶瓷、釉面瓷砖、不锈钢和玻璃的催化活性最高，而460℃时铝片的光催化活性最高。

关键词：污水处理光催化二氧化钛载体以二氧化钛等半导体为催化剂的光催化技术是近20年来环境研究的热点之一[1]，许多研究[2]，表明它可以较好地降解水和空气中的很多污染物，包括有机物和无机物。

但是由于传统的粉末光催化剂存在着二次分离和回收等问题，许多研究者把目光转向了固化二氧化钛体系，即把二氧化钛光催化剂固定在一种载体上，制备成一种薄膜。

本文采用溶胶_凝胶法在不同的载体(钛片、玻璃、铝片、陶瓷、釉面瓷砖、不锈钢、铜片)表面制备二氧化钛薄膜，来考察不同载体对负载TiO2薄膜光催化活性的影响，而且对不同载体的加热工艺进行了研究。

1 实验方法1.1 二氧化钛薄膜的制备以钛酸四正丁酯为原料，以三乙醇胺为抑制剂来制备溶胶。

具体配制方法如下：取17.0mL钛酸正四丁酯和4.8mL 三乙醇胺溶解到67.3 mL无水乙醇中，搅拌2h，然后再加入10mL无水乙醇和1 mL蒸馏水，再搅拌30 min，即得到淡黄色的透明溶胶。

把钛片、铝片、不锈钢、玻璃、釉面瓷砖和陶瓷切割成10mm x 10mm的方形，相继用酸、碱和酒精清洗后凉干。

把这6种清洗凉干后的载体分别浸渍在溶胶中，提拉速度为200mm／min，取出后放到100℃的马弗炉中保温30min，然后分别以每分钟5 ℃的速率升温到一定的温度(400℃，460℃，520℃，580℃，640℃，700℃等)，在此温度下再保温1h，即得到不同加热工艺下不同负载的二氧化钛薄膜。

SiO2/TiO2复合薄膜光催化性能的研究Photo2catalytic Properties of SiO2/TiO2Composite Films郭子斌,赵宏生,胡红坡(清华大学核能与新能源技术研究院,北京100084)GUO Zi2bin,ZHAO Hong2sheng,HU Hong2po (Instit ute of Nuclear and New Energy Technology,Tsinghua University,Beijing100084,China)摘要:采用溶胶2凝胶法和浸渍提拉法在玻璃表面镀制了SiO2/TiO2复合薄膜,以SEM,XPS,UV2Vis等手段对其进行了表征;通过对亚甲基蓝的降解反应,研究了SiO2/TiO2复合薄膜在紫外光下的光催化性能。

结果表明:在玻璃片上预镀SiO2层使TiO2薄膜中的Na+和Mg2+含量明显降低,同时,有利于TiO2薄膜中晶粒的长大,提高了光催化性能。

关键词:SiO2/TiO2复合薄膜;溶胶2凝胶法;光催化性能中图分类号:O643 文献标识码:A 文章编号:100124381(2008)1220038203Abstract:The SiO2/TiO2composite films were p repared on glass subst rates by sol2gel technology and dip2coating p rocess,and were characterized by SEM,XPS and UV2Vis t ransmittance and absorption spectra.The p hoto2catalytic activity of t he compo site films was st udied t hrough t he degradation ex2 periment of met hyl blue under UV light.The result s showed t hat t he SiO2film on t he glass subst rates can reduce Na+ion and Ca2+ion content in t he TiO2film and make for t he crystals growt h of t he TiO2 t hin film.Thereby,t he p hoto2catalytic activity of t he TiO2film was improved.K ey w ords:SiO2/TiO2composite film;sol2gel met hod;p hoto2catalytic activity 1972年,Fujishima和Honda发表了关于TiO2电极在光照条件下分解水的论文[1],此后半导体光催化材料的研究得到广泛展开。

二氧化钛薄膜的研究进展引言TiO2是一种性能稳定的半导体材料，具有氧化活性高，对人体无毒害、成本低和无污染等特点，在许多领域有广泛的用途。

TiO2薄膜具有良好的化学稳定性、电学性能、优良的光催化特性和亲水性，使其在污水处理、空气净化、电子材料、光学材料、生物材料和金属表面防护等方面呈现出巨大应用潜力。

目前，TiO2薄膜的制备方法有很多，大体可以分为两大类：物理法和化学法。

物理法主要是利用高温产生的物质蒸发或电子、离子、光子等高能粒子的能量所造成的靶物质溅射等方法，在衬底上形成所需要的薄膜；化学法是利用化学反应在基片上形成薄膜的方法。

[1]制备方法1 溶胶-凝胶法溶胶－凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。

凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。

溶胶-凝胶法制备TiO2薄膜一般以钛醇盐及其相应的溶剂为原料，加入少量水和络合剂，经搅拌和陈化后形成溶胶，然后利用浸渍-提拉法、旋转涂层或喷涂等方法涂在基片表面，经过焙烧后形成薄膜。

常用的钛醇盐主要有：钛酸乙酯、钛酸四异丙酯、钛酸丁酯、钛酸四丁酯、四氯化钛和三氯化钛等等。

姚敬华等[2]人以钛白粉厂价格低廉的偏钛酸为原料,采用溶胶-凝胶法,结合微乳化技术和共沸蒸馏的工艺路线,制备了纳米锐钛矿型TiO2粉体。

用电镜(TEM)及X射线衍射(XRD)技术进行了表征。

结果表明:TiO2结晶良好,分布均匀,无团聚现象。

将一定量偏钛酸和NaOH按一定量比混合,再按一定固液比用水稀释,搅拌均匀后转入蒸馏瓶中,在沸腾状态下回流2 h后转入烧杯.在搅拌条件下,缓慢加入一定体积的浓硝酸至沉淀溶解,得到浅白色半透明状溶液。

在此溶液中加入一定体积的8%DBS溶液和二甲苯,搅拌30 min静置,液体分为3层(3相),取中间相进行蒸馏,至馏出液中不分层为止,过滤,将滤渣在80℃烘 4 h后,放入茂福炉,在650℃下灼烧3 h后得纳米TiO2微粒。

吸附剂负载TiO2光催化研究进展1刘正锋，刘守新*，李晓辉，王海亮，李密东北林业大学生物质材料教育部重点实验室，哈尔滨 (150040)E-mail：zhengfengliu81@摘要：TiO2光催化在废水处理、空气净化等环保领域展示出诱人前景。

纳米TiO2光催化剂的负载化是实现其产业化的关键步骤之一。

多孔吸附剂与纳米TiO2复合可为其提供高浓度污染环境，提高TiO2分散度，解决催化剂分离难题，是光催化领域的研究热点之一。

本文对近年来国内外多孔吸附剂与纳米TiO2复合的发展情况进行了综合评述。

着重介绍了负载型TiO2光催化剂的固定化方法、多孔吸附剂类型以及负载对光催化活性的影响机理。

关键词：TiO2，吸附剂，光催化，负载，机理中图分类号：X-11.引言纳米TiO2光催化氧化技术以其反应条件温和、深度氧化以及可利用太阳光能等优点而在环境污染深度净化领域展示出良好应用前景 [1]。

光催化氧化的重要步骤之一即污染物分子与催化剂TiO2分子碰撞，并在催化剂表面富集。

TiO2光催化剂的比表面积有限，对污染物的吸附性差。

在光催化降解低浓度的有机物时，导致催化效率低。

另外，光催化过程中纳米粉末状催化剂分的离较为困难，从而大大限制了其在实际污染净化中的应用[2]。

近年来，针对上述缺点，人们在吸附剂负载型复合TiO2光催化材料方面开展了大量工作。

多孔吸附剂作为纳米TiO2光催化剂的载体可增加其对反应物的吸附，提高TiO2的光催化活性[3-5]。

一些多孔吸附剂载体可同TiO发生相互作用，加速电子-空穴对的分离[6-8]。

本文对近2年来国内外多孔吸附剂与纳米TiO2复合的发展情况进行了综合评述。

着重介绍了负载型TiO2光催化剂的固定化方法、多孔吸附剂类型以及负载对光催化活性的影响机理。

2. 吸附对TiO2光催化活性的影响TiO2光催化能力来源于TiO2表面的光生电子和空穴，由于光生电子和空穴的复合在ns 到ps的时间内就可以发生，从动力学观点看，只有在有关的电子受体或电子供体预先吸附在催化剂表面时，界面电荷的传递和被俘获才具有竞争性。

第二节TiO2光催化影响因素目前主要针对TiO2进行增加表面缺陷结构、减小颗粒大小增大比表面、贵金属表面沉积、过渡金属离子掺杂、半导体复合、表面光敏化、以与改变TiO2形貌和晶型等方法来提高其量子效率以与扩展其光谱响应范围。

研制具有高量子产率，能被太阳光谱中的可见光激发的高效半导体光催化剂，探索适合的光催化剂负载技术，是当前解决光催化技术中难题的重点和热点。

1.2.1 表面缺陷结构通过俘获载流子可以明显压制光生电子与空穴的再结合。

在制备胶体和多晶光催化是和制备化学催化剂一样，一般很难制得理想的半导体晶格。

在制备过程中，无论是半导体表面还是体内都会出现一些不规则结构，这种不规结构和表面电子态密切相关，可是后者在能量上不同于半导体主体能带上的。

这样的电子态就会起到俘获载流子的阱的作用，从而有助于压制电子和空穴的再结合[7]。

1.2.2 颗粒大小与比表面积研究表明，溶液中催化剂粒子颗粒越小，单位质量的粒子数就越多，体系的比表面积大，越有利于光催化反应在表面进行,因而反应速率和效率也越高。

催化剂粒径的尺寸和比表面积的一一对应直接影响着二氧化钛光催化活性的高低。

粒径越小，单位质量的粒子数目越多，比表面积也就越大。

比表面积的大小是决定反应物的吸附量和活性点多少的重要因素。

比表面积越大，吸附反应物的能力就越强，单位面积上的活性点也就越多，发生反应的几率也随之增大，从而提高其光催化活性。

当粒子大小与第一激子的德布罗意半径大小相当，即在1-10 nm 时，量子尺寸效应就会变得明显，成为量子化粒子，导带和价带变成分立的能级，能隙变宽，生成光生电子和空穴能量更高，具有更高的氧化、还原能力，而粒径减小，可以减小电子和空穴的复合几率，提到光产率。

再者，粒径尺寸的量子化使得光生电子和空穴获得更大的迁移速率，并伴随着比表面积的加大，也有利于提高光催化反应效率。

1.2.3 贵金属沉积的影响电中性的并相互分开的贵金属的Fermi能级小于TiO2的费米（Fermi）能级，即贵金属内部与TiO2相应的能级上，电子密度小于TiO2导带的电子密度，因此当两种材料连接在一起时，载流子重新分布，电子就会不断地从TiO2向贵金属迁移，一直到二者的Fermi能级相等时为止, 如图1.2。

[收稿日期]2006-02-27[作者简介]吴顺梅(1975-),女,江苏南京人,长江大学化学与环境工程学院硕士研究生。

影响T i O 2光催化活性的因素分析综述吴顺梅,李凡修,汪小宇,刘汉玉(长江大学化学与环境工程学院,湖北荆州434023)[摘　要]　介绍了T i O 2光催化的反应机理,概述了T i O 2光催化反应过程中制备工艺、焙烧温度、离子掺杂、pH 、氧化剂光照、超声波、浓度等因素对催化活性的影响,并对T i O 2光催化处理有机废水的前景进行了展望。

[关键词]　T i O 2;光催化;离子掺杂[中图分类号]O 621 [文献标识码]A [文章编号]167325935(2006)022******* 难生物降解有机废水污染已成为日益突出的环境问题。

目前,对于高浓度难生物降解有机废水的处理方法主要有生物处理法、化学法、物理处理法及光催化法等。

其中,光催化氧化工艺简单、操作条件容易控制、氧化能力强、无二次污染,加之T i O 2化学性质稳定、难溶、无毒、成本低,作为理想的半导体光催化剂在有机废水处理领域具有广阔的应用前景。

我国对于T i O 2光催化氧化处理废水进行了大量的研究,取得了很好的成果,国内赵毅[1-3]等人对T i O 2的光催化氧化进行了一些研究,这些研究主要包括光催化T i O 2在染料废水、农药废水、医药废水等几个方面的研究。

1　光催化反应机理当T i O 2在光照下,能量大于3.2eV 时,电子由价带被激发到导带,并在价带上产生一个带正电的空穴,空穴与导带上的电子能重新合并产生光,或者和一些吸附在催化剂表面的H 2O ,OH -,O 2或有机物质反应。

OH ・自由基可通过H 2O ・与带正电的空穴氧化而得[4],也可以通过吸附氧对e -的还原反应而生成O 2-,随后生成H 2O 2和OH ・。

1.1　T i O 2光催化反应机理包括的过程1.1.1　光激发过程T i O 2的带隙能Eg =3.2eV ,可利用波长Κ≤387.5nm 的光子激发。

TiO2光催化效率影响因素及应用吴开霞;方云龙;王博【摘要】简述TiO2光催化反应机制,从TiO2的粒径、缺陷、晶体结构、晶体形貌和TiO2的表面改性等方面综述了影响TiO2光催化性能的因素;总结了TiO2光催化剂在污水处理、杀菌以及空气净化等方面的应用,并指出今后可以从减小TiO2的粒径、增加其缺陷、改变其形貌、采用混晶化合物以及对TiO2进行表面改性等方面提高TiO2光催化效率.【期刊名称】《西华大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(037)005【总页数】5页(P36-40)【关键词】二氧化钛;光催化性能;污水处理;空气净化;催化反应;晶体结构;表面改性【作者】吴开霞;方云龙;王博【作者单位】四川大学锦城学院机械工程学院,四川成都 611731;四川大学锦城学院机械工程学院,四川成都 611731;天津正天医疗器械有限公司,天津 300308【正文语种】中文【中图分类】TB34;O614.4由于光催化反应在太阳能转化和环境净化方面具有很高的应用价值，近来受到了各研究学者的广泛关注[1-19]。

TiO2由于具有良好的光催化性能，且化学性能稳定和价格低廉;因此，它被认为是最具有实用化前景的光催化剂[1-4]。

半导体TiO2的光催化过程可以在常温常压下进行，如果能利用太阳光作光源，则可显著降低光催化反应的成本。

随着科学技术的进步，人们对光催化技术进行了广泛而深入的研究[1-10]，使光催化技术得到迅速发展。

人们对TiO2的研究日益深入和广泛，但由于各种因素的影响使得TiO2的光催化效率存在差异。

本文介绍了几种影响TiO2光催化性能的因素，对TiO2光催化性能的应用进行总结并对未来的发展进行展望。

1 TiO2的光催化原理TiO2表面受到能量大于禁带宽度光子的照射，处于低能价带的电子(e-)将受到激发获得光子的能量后跃迁至导带，形成光生电子(e-)，同时带正电荷的空穴(h+)留在价带上，从而产生了电子-空穴对[2]。