N和Al共摻雜TiO-,2-薄膜的制備及性能研究.pdf

1、二氧化鈦是一種寬禁帶半導(dǎo)體，性質(zhì)穩(wěn)定、無毒、具有高效的光催化活性，已成為最有開發(fā)前途的綠色環(huán)保型光催化劑。然而TiO2光催化劑自身也存在一些缺陷：①光生電子和空穴易復(fù)合，量子產(chǎn)率低；②禁帶寬度較大(3.0～3.2eV)，光吸收波長范圍狹窄，主要在紫外區(qū)，只能利用太陽光中占2～4％的紫外線部分；這些缺陷一直制約著TiO2光催化技術(shù)的應(yīng)用。如何拓展TiO2光催化劑可見光響應(yīng)范圍和提高其光催化效率是解決TiO2光催化技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。因此，研制

2、可見光激發(fā)的高效納米TiO2半導(dǎo)體光催化劑具有重大意義。 本文采用真空電弧沉積法在玻璃基片和硅片上沉積了純TiO2薄膜、N摻雜TiO2薄膜、N和Al共摻雜TiO2薄膜。采用基于第一性原理的量化軟件計算了N摻雜TiO2、N和Al共摻雜TiO2的電子結(jié)構(gòu)，研究了N摻雜、N和Al共摻雜對TiO2薄膜的結(jié)構(gòu)、成分、表面形貌、光學(xué)、光催化、抗菌性能的影響，探討共摻雜對TiO2光催化活性影響機(jī)制。 主要研究結(jié)果如下： 第一性

3、原理的量化軟件計算結(jié)果表明，少量N摻雜使銳鈦礦TiO2帶隙寬度變窄；N和Al替位共摻雜使銳鈦礦TiO2帶隙寬度變大，而N和Al間隙共摻雜使其帶隙寬度變窄。 對純TiO2薄膜、N摻雜TiO2薄膜、N和Al共摻雜TiO2薄膜而言，沉積態(tài)薄膜均為非晶相，400℃退火處理后的薄膜均為銳鈦礦相，呈A(101)晶面擇優(yōu)取向。在薄膜上形成了呈圓形或橢圓形的顆粒和微孔；隨著薄膜沉積時間延長，吸收邊發(fā)生紅移。 N摻雜導(dǎo)致TiO2薄膜吸收邊

4、發(fā)生紅移，擴(kuò)展了其吸收波長范圍。對N摻雜TiO2薄膜的光催化效率而言，沉積15min、500℃退火處理N摻雜TiO2薄膜的可見光催化活性最高，離子束輔助沉積TiO2-xNx薄膜的可見光催化活性明顯提高。 N和Al共摻雜TiO2薄膜，抑制了TiO2的晶相轉(zhuǎn)變，提高了其晶化溫度。無論是在紫外光下還是人工模擬太陽光下，其對酸性品紅的降解效果存在一個最佳退火溫度。500℃退火處理N和Al共摻雜TiO2薄膜的光催化活性最高。 N和

5、Al共摻雜TiO2薄膜，提高了其載流子的遷移率，有效抑制光生載流子的復(fù)合，二者的協(xié)同作用提高了它的可見光催化活性。就可見光催化活性而言，N和Al共摻雜TiO2薄膜>TiO2-xNx薄膜>純TiO2薄膜。 N和Al共摻雜TiO2薄膜可見光催化降解酸性品紅時，降解全過程并不簡單地遵從一級反應(yīng)動力學(xué)方程式，降解過程經(jīng)歷了不同的反應(yīng)歷程，反應(yīng)過程中，前、后兩個階段具有不同的表觀速率常數(shù)，提出可見光光催化降解反應(yīng)動力學(xué)模型，并進(jìn)行了實驗驗證。