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掺杂型纳米TiO_2光催化薄膜制备及性能研究

作　者: 孟丹
导　师: 王和义
学　校: 中国工程物理研究院
专　业: 核燃料循环与材料
关键词: TiO2薄膜掺杂大肠杆菌总细菌甲基橙抗菌性能
分类号: O643.36
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

能源问题和环境问题是当今世界面临的两大焦点问题。新型清洁能源的开发和利用、环境污染物的降解和治理是确保社会高速发展的基础。TiO2薄膜在一定光照作用下可以催化降解有机污染物、抗菌杀菌,达到降低能耗、净化环境的目的,具有诱人的应用前景。本论文在文献综述的基础上,通过溶胶凝胶(sol-gel)-浸渍提拉法在无水乙醇-浓盐酸-超纯水系统中,制备了不同摩尔配比的TiO2薄膜。通过X射线衍射(XRD)、紫外-可见光谱(UV-vis)、扫描电镜(SEM)及原子力显微镜(AFM)等分析测试手段,分析研究了无水乙醇、浓盐酸和超纯水对Ti02薄膜性能的影响,得出了不同物料配比下TiO2薄膜的晶粒尺寸、晶胞参数和表面粗糙度等方面的变化规律,最终得到了制备纳米TiO2薄膜的最佳摩尔配比：n(Ti(OBu)4):n(C2H5OH):n(HCl):n(H2O)=1:25:1.0:2.0。在最佳配比下制备的Ti02薄膜稳定性好,表面致密有序,均匀无裂痕,晶粒尺寸较小,表面粗糙度较小,所制的5层膜经过60min光照后,对甲基橙的降解率可达85%左右。研究了Fe/TiO2、V/TiO2和Co/TiO2薄膜的制备工艺,并通过X射线光电子能谱(XPS)、XRD和光催化活性测试对其进行了分析。XPS分析结果表明：在催化剂表面Fe以Fe2O3的形式存在,V以V205的形式存在,而Co则以复杂氧化物的形式存在。XRD分析结果表明：Fe/TiO2、V/TiO2和Co/TiO2薄膜在600℃以下焙烧时均以锐钛矿的形式存在,700℃焙烧时均出现了金红石相；其中低含量Fe的引入(0.1%、0.5%和1%)使得薄膜中TiO2的晶粒尺寸明显减小,而不同含量V和Co的引入则使得Ti02的晶粒尺寸呈不同程度的增加。以高压汞灯模拟紫外光,研究了掺杂TiO2薄膜光催化降解甲基橙的性能,光催化活性大小为：Fe/TiO2>V/TiO2>Co/TiO2。低含量Fe掺杂可以有效地提高薄膜的光催化活性,含量较高时光催化活性减弱,0.1% Fe/TiO2薄膜降解甲基橙的效率最高,可达98.21%。研究了Fe/TiO2薄膜的光催化抗菌活性。采用AFM、Raman、Uv-vis、正电子湮灭技术(PAS)和接触角测试等表征手段,从微观结构上对其进行了详细探讨。并以高压氙灯模拟日光,研究了不同掺Fe含量TiO2薄膜对生理盐水中大肠杆菌的抗菌性能,结果表明：低含量Fe掺杂(0.1%、0.5%和1%)TiO2薄膜具有高于纯TiO2薄膜的抗菌性能,其中0.1% Fe/TiO2薄膜的抗菌性能最佳,可达96.67%。采用0.1% Fe/TiO2薄膜研究了印染废水中大肠杆菌的抗菌性能、印染废水中总细菌的抗菌性能以及地表水中总细菌的抗菌性能,结果表明：0.1% Fe/TiO2薄膜对各种水体中的细菌都具有良好的抗菌性能,其抗菌率分别为96.65%,95.57%和95%。本论文采用过渡金属掺杂的方法对纳米TiO2薄膜进行改性研究,运用多种分析表征手段对其进行宏观和微观分析,通过系统的实验研究,解决了制膜物料配比的关键技术,建立了制备高效光催化活性TiO2薄膜的工艺,为Fe/TiO2薄膜在饮用水净化方面的应用奠定了基础,同时,也为其作为抗菌材料的实际应用提供了技术依据。

掺杂型纳米TiO_2光催化薄膜制备及性能研究

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