薄膜的制备及紫外红外介.docVIP

TiO2 薄膜的制备及紫外/红外/介 电方面的研究 徐钢琴012002000506 赵小丹012002021836 周悦 012002016810 目录 （一）紫外………………………………………………………………1 一: 金属离子掺杂对光催化反应的影响…………………………………………………………1 二：金属离子掺杂对催化剂吸光性能的影响……………………………………………………1 三：纳米（掺杂）TiO2薄膜的制备………………………………………………………………1 四：样品的光谱测试与分析…………………………………………………………………………2 五：过渡金属离子掺杂TiO2的光学性能…………………………………………………………3 （二）红外………………………………………………………………10 一、实验原理……………………………………………………………………………………10 二、过渡金属离子掺杂 --- 一个元素不同掺杂含量的比较（Fe \ Mn）……………………11 三、过渡金属离子掺杂 --- 两种元素不同掺杂含量的比较 （Mn+Fe \ La+Fe）……………15 四、过渡金属离子掺杂 --- 三种元素不同掺杂含量的比较 (La+Mn+Fe）…………………22 （三）介电性 紫外 一、 金属离子掺杂对光催化反应的影响 二氧化钛的光催化反应过程涉及光激发产生电荷、电荷迁移、电荷在颗粒表面反应和溶液体相反应等4 个顺序相接并相互影响的步骤。金属离子掺杂对以上4 个步骤都有重要影响,合理掺杂可以有效地提高TiO2 光催化性能,有利于光催化反应过程的优化。以下就金属离子掺杂在上述步骤中的作用特点与效果,从吸光性能、电荷扩散、表面反应、粒径和晶型等方面分析掺杂对TiO2 光催化性能的影响. 二、金属离子掺杂对催化剂吸光性能的影响 TiO2 具有特殊的能带结构,可吸收特定波长的光。目前广泛使用的锐钛矿型TiO2 ,因其禁带较宽(312eV) ,只能由紫外光激发,所以可见光的利用率较低。通过金属离子的合理掺杂,可以改善TiO2 对可见光的光谱响应范围。根据掺杂离子在TiO2 的晶格内的相对位置不同,可将掺杂对TiO2 吸光能力的影响分为取代型、产物型、间隙型、集聚型等4 类情况。 (1) 取代型　金属离子进入TiO2 的晶格内,取代了原来钛原子的位置,形成新的化学键,在TiO2禁带中引进了新的能级,使电子跃迁由原来的一步激发完成变为两步或多步进行,光激发的阈值有所降低,从而在不降低电子和空穴能量的情况下扩展了吸光范围。此种掺杂可以增加电子空穴产率,不降低光生电荷的氧化还原能力,因而促进光催化反应的进行。 (2) 产物型　金属离子进入TiO2 晶格内,形成了新的化合物或固熔体,由于新产物的禁带带宽不同于TiO2 的禁带带宽,结果会使催化剂吸光波长发生变化,这种变化由新产物的性质决定。 (3) 间隙型　金属离子进入到了TiO2 晶格内部,不取代钛原子,只引起原有的晶格畸变,掺杂后催化剂的光吸收谱线形状稍有变化,吸收边略有迁移。这种情况与掺杂离子的大小和浓度有关。 (4) 集聚型　某些金属离子掺杂在TiO2 表面形成薄膜或在TiO2 内部产生集聚,所形成的TiO2 催化剂吸光光谱中出现掺杂离子氧化物的本征光吸收峰。 三、纳米（掺杂）TiO2薄膜的制备 　　实验采用溶胶-凝胶法制备TiO2薄膜样品。以钛酸丁酯[Ti(OBu)4]为原料，量取一定量的钛酸丁酯于无水乙醇中得到前驱液，加入乙酰丙酮(AcAc)作为抑制剂，延缓钛酸丁酯的强烈水解。然后在强烈搅拌下，滴加所需要的硝酸和去离子水及一定量无水乙醇的混合溶液到前驱液中，得到稳定的TiO2溶胶。上述物质的物质量之比为：Ti(OBu)4: EtOH:H2O:HNO3:AcAc=1:18:2:0.2:0.5。加入HNO3的作用是：①抑制水解；②使得胶体离子带有正电荷，阻止胶体凝聚。用此法制备的溶胶非常稳定，室温下可以密闭放置一年左右。 　　在制备过程中，钛酸丁酯发生水解和缩聚反应，其反应如下： 水解反应 Ti(OR)4 + XH-OH = Ti(OR)4-X(OH)X + XROH 失水缩聚反应 －Ti-OH + HO-Ti = -Ti-O-Ti- + H2O 共醇缩聚反应 －Ti-OR + HO-Ti = -Ti-O-Ti- + ROH 式中R为C4H9烷基团 将超声波清洗过的玻璃基片浸入所配制的溶胶中，以1.5~2.0mm/s的速度向上提出液面，这样就在基片上形成一层胶膜，将涂有膜的基片在80℃烘干后，放在马沸炉中以1.5℃/min速率升温至450℃，热处理一定的时间。将热处理后的涂膜基片用去离子水冲洗，烘干后重复以上涂膜和热处理过程，可以得到一定厚度的薄膜。制备流程如图1所示。 图1 溶