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TiO2是一种半导体光催化剂,并以其无毒、稳定性好、光催化活性高、氧化能力强、易制备、廉价等特点受到众多研究者的关注。TiO2可以有效利用太阳能降解有机污染物,在污水处理、空气净化等方面具有很广泛的发展前景。模板法是常见的制备TiO2纳米薄膜的方法,大多研究者以纯铝片为基底制备AAO模板而后在其上制备TiO2纳米管薄膜,但在实际中铝合金应用更为广泛,可被用于建筑、家用电器、交通运输等行业。如果能够将TiO2薄膜负载于铝合金表面,不仅可以拓宽TiO2的作用范围,也赋予了铝合金表面光催化功能,有广阔的应用前景。 本论文以阳极氧化铝合金为载体,用液相沉积的方法在载体上制备了二氧化钛薄膜。研究了各种工艺参数如阳极氧化电压、反应时间、液相沉积液浓度和温度等对TiO2薄膜形貌和光催化性能的影响。与以纯铝片为基底制备的TiO2薄膜相比,TiO2薄膜在形貌及光催化性能上均有较大差异,这主要与铝合金中的合金元素和铝含量有关。运用第一性原理对合金元素掺杂锐钛矿后所带来的能带结构的变化作分析讨论。另外还研究铝合金在负载了TiO2薄膜后的自清洁性能及薄膜的耐磨性。主要研究内容及成果如下: 改进了纯铝片制备TiO2纳米管的工艺,将制备AAO模板的温度从目前常用的低温(5℃)提高至常温(20℃),提高了AAO模板的生成速率,而电解液浓度和氧化电压均低于低温制备所需参数,有利于工业化生产。 以6061铝合金为基底制备的TiO2薄膜为带孔洞的竹节状结构,而3102铝合金通过相同条件所制备的。TiO2薄膜为规则通孔的管状结构。铝合金表面TiO2薄膜的形貌受合金元素和铝含量的影响。6061铝合金中主要合金元素为Mg、Si,3102铝合金中的主要合金元素为Fe、Si。当合金元素形成氧化物的等价态吉布斯自由能△Go/n比铝元素形成氧化物的等价态吉布斯自由能(△Go/n)Al小时,合金元素会在氧化过程中随着Al元素一起被氧化更容易形成氧化物,例如Mg元素。反之Al元素先被氧化形成氧化膜,例如Fe、Si元素。并且Mg元素所生成氧化物后体积变小,因此会造成6061铝合金表面氧化膜中孔洞的产生,从而导致氧化膜不规则的生长,而3102铝合金表面的氧化膜的形貌则不受合金元素的影响。铝合金中铝元素含量对TiO2薄膜形貌会产生影响,铝含量较高的3102铝合金则更偏向生成规则的TiO2纳米管,而铝含量偏低的6061铝合金则更可能会生成不规则形貌的TiO2薄膜。 在相同实验条件下制备的铝合金表面的TiO2薄膜的光催化活性高于纯铝表面的TiO2薄膜。铝合金表面TiO2薄膜的特殊结构使其比表面积增大有利于提高光催化效率。铝合金中的合金元素掺杂到TiO2薄膜内部引发Ti-O-Si键生成,从而减少空穴-电子对复合概率,并运用第一性原理,采用密度泛函理论方法计算研究6061铝合金与3102铝合金中的主要合金元素Mg和Si掺杂对锐钛矿型TiO2能带结构的影响。结果表明,Mg掺杂TiO2后使其禁带宽度减小,进而TiO2价带上的电子被激发到导带上去所需要的外界能也会相应的减小,提高可见光的利用率。Si掺杂TiO2后,TiO2的导带变宽,使吸收能量跃迁到导带的电子提供更多的存在能态,降低了电子返回价带与价带中的空穴复合的几率,从而提高了光催化效率。