镧掺杂TiO2薄膜的制备及其光催化性能研究

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TiO2薄膜由于具有优良的光催化活性而受到人们的重视。目前TiO2薄膜的光催化技术步入实用化阶段还存在提高其光催化活性和太阳光利用率等许多技术难题。通过多种改性手段改善催化剂的活性,提高催化剂的光催化效率是将这一技术推向实际应用的重要环节。其中,TiO2的稀土离子掺杂改性已被证明是一种提高光催化活性的简单有效的方法。本研究以普通玻璃为基体材料,采用溶胶-凝胶法和浸渍提拉技术在玻璃表面制备了TiO2薄膜以及镧掺杂的TiO2薄膜,并对其光催化性能进行了研究。(1)系统研究了制备条件对TiO2溶胶及在玻璃上成膜的影响,首先以钛酸四正丁酯为前驱体,无水乙醇为溶剂,冰醋酸为螯合剂,采用溶胶-凝胶法制备出稳定的TiO2溶胶。其最佳制备条件为:Ti(OC4H94:C2H5OH:H2O:CH3COOH=1:8:0.3:0.5。使用HNO3调节pH值,得出最佳pH值为2.0。并在相同制备条件下制备了镧掺杂的TiO2薄膜,其中La3+的掺杂率分别为0.5%、1%和2%。(2)通过X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)表征方法分别分析了粉体样品晶相转变温度和薄膜样品的表面形貌及晶粒尺寸等表面形貌。将TiO2溶胶进行陈化焙烧得到的粉末样品进行XRD衍射表征,XRD表征结果表明:纯TiO2在600℃开始出现金红石相,而镧掺杂的TiO2样品在700℃仍未出现金红石相,均为锐钛矿相,说明镧的掺杂有效地抑制锐钛矿相向金红石相的转变。SEM表征结果表明:所制备的纯TiO2薄膜粒径在50nm左右,镧掺杂的TiO2薄膜粒径在30nm左右,表明镧的掺杂减小了TiO2晶粒的粒径。涂膜层数为4层时,开始出现皲裂现象。(3)通过光催化降解甲基橙实验,探讨了不同反应条件以及工艺条件各个因素对光催化剂光催化活性的影响。得出最佳反应条件为反应液浓度为10mg/L、pH值为1.0,反应时间为2.5h。在甲基橙浓度为10mg/L,pH=2.0,反应时间为2.5h条件下,最佳工艺条件为镧掺杂率为1%,涂膜层数为2层,热处理温度为500℃,保温时间为2h。
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