TiO2薄膜光催化剂的制备与性能研究

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	TiO2薄膜光催化剂的制备与性能研究
	崔颖
学位类型	博士
导师	闻立时
	2009-01-18
学位授予单位	中国科学院金属研究所
学位授予地点	金属研究所
学位专业	材料加工工程
关键词	二氧化钛薄膜中频磁控溅射电弧离子镀第一原理计算氮掺杂硼掺杂氮硼共掺杂微观结构润湿性电子结构光催化性能电场辅助光催化可见光催化性能协同效应
摘要	半导体氧化物TiO2具有优良的光催化性能、不发生光腐蚀和化学腐蚀，并且生产和使用比较简单，能被太阳光有效的激发，价格低廉，对人类和环境没有危害。TiO2作为光催化剂使用存在的主要难题是如何有效利用太阳光，实现可见光催化以及有效分离光致电子-空穴对。本论文工作以TiO2薄膜为研究对象，研究了其润湿性能与光催化性能。我们探索了提高光催化效率的新方法；并且通过第一原理计算了不同非金属掺杂以及共掺杂TiO2体系的电子结构和光学吸收性质，这为今后进一步研究高催化性能的TiO2体系的催化剂提供理论支持。采用中频磁控溅射技术沉积了TiO2薄膜，研究了影响TiO2薄膜晶体结构的制备条件，并研究了不同晶体结构对TiO2润湿性的影响。研究结果表明：功率密度和热处理温度对TiO2薄膜的表面形貌有显著影响。高的功率密度可能导致两个结果：一是高能离子到达基体表面，二是导致氧空位的产生。这两种作用都会促使热处理之后金红石相的形成。润湿性研究表明，TiO2薄膜的润湿性在很大程度上取决于晶体结构。非晶和锐钛矿混合晶型使得TiO2薄膜具有较小的接触角；金红石(101)表面包含更多的桥氧原子，因此有利于形成亲水表面；尺寸效应对润湿性也有影响。为了提高光催化效率，我们采用一种新颖的施加中频电场的方法研究了半导体TiO2光催化。研究结果表明：在中频电场中，存在一个最优的降解频率。我们对相应的机理进行了初探，认为可能是由于两方面的原因：一是脉冲导致大量原子碰撞引起的空穴数目的增加；二是我们施加的中频电场对激发态无辐射跃迁过程进行了扰动，进而影响了甲基橙的降解效率。归根到底，是由于有效的分离了光生电子-空穴对，从而起到了提高TiO2半导体光催化剂的降解效率的作用。非金属氮掺杂对 TiO2半导体可见光催化有显著提高，但是当掺杂浓度过高时会起到降低光催化效率的作用。针对这一点，我们研究了外加电场和N掺杂的协同效应对于TiO2半导体光催化的影响。研究结果表明，通过外加电场，N掺杂TiO2的紫外光和可见光催化性能都随N掺杂含量的增加而提高。由于外加电场和N掺杂的协同效应使得TiO2的光催化性能得到提高。我们还通过第一原理计算，澄清了N掺杂对TiO2晶体结构、电子结构和光学性能的影响。正是由于N的引入，导致TiO2带隙变窄，因而引起可见光吸收；而外加电场可以有效的分离电子-空穴载流子，起到克服重掺杂N原子对TiO2光催化性能所带来负面影响的作用。通过采用第一原理平面波赝势方法计算了非金属硼掺杂TiO2和氮硼共掺杂TiO2体系的晶体结构、电子结构和光学吸收性质。其目的是分析氮硼共掺杂的协同效应对TiO2电子结构所产生的影响；还要分析在硼掺杂对于TiO2电子结构所产生的影响。探讨了硼掺杂TiO2以及氮硼共掺杂TiO2体系所引起的可见光响应机理。研究结果表明：对于硼掺杂TiO2来说，硼掺杂使TiO2的带隙变宽，但由于其在TiO2的禁带中引入了掺杂能级，降低了电子跃迁所需要吸收的光子能量，从而引起可见光的吸收；对于氮硼共掺杂TiO2来说，氮硼共掺杂使得TiO2的带隙稍稍变窄。导致氮硼共掺杂TiO2可见光响应的机理是氮硼共掺杂的协同作用：氮的引入导致了TiO2带隙的窄化；而硼的掺杂会在能级中引入掺杂能级。这两种效应都会对TiO2的光学性质产生重要影响，使得氮硼共掺杂TiO2发生可见光吸收，进而产生可见光催化性能。
页数	117
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/17124
专题	中国科学院金属研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	崔颖. TiO2薄膜光催化剂的制备与性能研究[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所,2009.