论文部分内容阅读
二氧化钛（Ti02）作为光催化技术中的核心材料,近几十年来得到了广泛的关注和研究。然而,Ti02光催化技术在实际应用中还存在着如光生载流子的易复合而导致光催化效率低、光响应范围窄所造成的太阳光利用率低、以及催化剂的有效负载等问题,制约了Ti02光催化技术在环境污染治理中的应用。本文采用MOCVD方法在氧化铟锡（ITO）导电玻璃表面沉积纳米Ti02薄膜,组装成为同时具有透光性和导电性的TiO2/ITO固定化纳米薄膜电极,应用于光电催化体系降解有机污染物。同时,通过以非金属B和过渡金属Fe掺杂Ti02较好的解决了Ti02对可见光响应的问题。论文取得了如下主要研究成果：采用计算流体力学技术对Ti02薄膜的MOCVD制备过程进行数值模拟。研究发现,薄膜生长速率随着沉积温度的提高而变大；载气流量对于基片附近TTIP浓度的影响更为显著；薄膜生长速率随着源温度的提高而提高。优化的操作参数范围为：沉积温度1023K,源温度363K,载气流量6-7SLM。在此条件下,薄膜的生在速率约为75nm/min。沉积温度623K左右时,对薄膜生长速率和薄膜均匀性影响的主要参数为沉积温度,沉积过程为反应动力学控制。823K左右时各个参数对于薄膜的生长速率都有一定程度的影响。1023K左右时薄膜生长过程转为传递控制。薄膜生长速率的变化以沉积温度和载气流量的共同影响为主,而薄膜的均匀性主要受载气流量的影响。通过对TiO2/ITO薄膜的生长模式及其性能的研究,发现所制备的Ti02薄膜均为锐钛矿相,晶型结构良好；薄膜的生长表现出明显的S-K模式；650℃沉积温度下制备的薄膜晶粒粒径约为26nm,当薄膜厚度约为527nm时,具有最佳的紫外光催化活性,其催化降解甲基橙（MO）的降解率在背面光照的光电催化条件下120min内可达97%,表观反应速率常数比普通的光催化提高2倍。采用MOCVD方法在制备Ti02薄膜的过程中完成了不同含量的非金属B的掺杂。研究表明,B的掺杂可将Ti02的禁带宽度缩小至2.92eV,使其具有可见光响应,且光催化效果得到显著提高,5at.%的B掺杂的TiO2/ITO薄膜在可见光条件下光电催化降解MO,120min降解率可达80%以上。综合实验和理论计算的研究结果表明,MOCVD制备的B掺杂TiO2薄膜电极中B的掺杂以B替代O为主,有部分B进入晶格内形成Ti-O-B键,并有少量以B2O3形式存在。过渡金属Fe掺杂TiO2/ITO薄膜电极的研究表明,适当浓度的Fe掺杂对薄膜紫外光条件下的光催化降解过程有增强作用；同时也使薄膜具有了明显的可见光响应和可见光下催化的能力。相比较B的掺杂,Fe掺杂TiO2/ITO纳米薄膜电极,提高了薄膜电极紫外光条件下的催化性能；也同时通过吸收带边0.6eV的红移提高了薄膜电极可见光下的催化能力。第一性原理计算模拟的研究表明,Fe的掺杂会在靠近导带底部附近形成Fe3d轨道与O2p轨道杂化的中间态,同时也有部分Fe3d轨道在价带顶部形成受主能级,从而导致材料具有可见光响应。