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随着全球环境污染和能源危机的日益严重,人们越来越关注环境和能源问题,迫切需要开发高效、低能耗、使用范围广的功能材料。TiO2光催化氧化技术作为一种新的污染治理技术,因其具有能耗低、反应条件温和、催化活性高等优点引起了各国研究者的广泛关注。但是TiO2作为一种宽禁带半导体(Eg=3.2eV),只有在能量较高的紫外光照射下才能表现出光催化活性,而占太阳光大部分的可见光却不能被有效利用,同时产生的光生电子与空穴的再复合率高,量子产率低,TiO2的上述缺陷极大地限制了该技术在实际中的应用。
掺杂贵金属Pt制备改性纳米TiO2光催化剂的思路引起了众多学者的关注:铂掺杂后,在Pt-TiO2界面会形成能捕获电子的浅势阱—Schottky势垒,进一步抑制光生电子-空穴的复合;同时可以改变TiO2的表面状态、对其表面活性基团的增减产生重要的作用。因此了解Pt掺杂对TiO2表面性质和光催化活性的影响,有助于深入了解TiO2光催化机理和指导高催化活性光催化剂的制备。
本文另辟蹊径,通过传统的溶胶-凝胶法结合蒸涂法制备了纯TiO2薄膜及掺杂铂改性的TiO2薄膜。实验结果表明,500℃热处理后的TiO2均为锐钛矿型。本文的实验结果如下:
(1)薄膜的UV-VIS结果表明,喷铂不同时间后的改性TiO2薄膜都具有不同程度的可见光响应性,其光吸收曲线都有一定程度的红移。尤其是TPT-180s薄膜的光吸收曲线红移了30nm,在λ<670nm的可见光范围内都有吸收。而且除位于紫外光区的本征吸收边外,还出现了一个新的吸收边650nm,对应带隙为1.91eV,而相同制备工艺下制得的其它薄膜仅显示出TiO2半导体的本征吸收。
(2) SEM结果表明各种薄膜中TiO2颗粒形貌有所差异,纯TiO2薄膜中颗粒的平均大小在40~80nm之间,呈多面体树叶状;而在TPT-180s复合薄膜中,颗粒尺寸较均匀,平均大小在20~40nm之间,TTP-180s薄膜表面出现龟裂现象,而PTT-180s薄膜中部分颗粒为多面体状,部分为球状,一些颗粒长大现象较严重。
(3) TPT-180s薄膜的横截面图像表明该薄膜总厚度约为160nm,里外两层TiO2层的厚度分别约为60nm和70nm,而位于中间的铂层厚度约为30nm,该层厚度与铂的蒸涂时间成正比关系。
(4) TPT-180s薄膜的TEM结果表明,与基体尺寸相当的铂团簇(20~40 nm)弥散分布在TiO2基体中;同时在Pt-TiO2界面存在金属与基体的接触区。SADP表明,夹层式复合薄膜TPT-180s由金属铂和锐钛矿型TiO2构成。
(5) XPS结果表明,在TPT-180s薄膜表面,铂钛原子比Pt:Ti≈2.5[%]; TTP-180s薄膜表面,铂钛原子比为无穷大;而在T薄膜和PTT-180s薄膜表面,铂钛原子比为零。在TPT-180s薄膜表面,钛元素为Ti4+,氧元素为O2-,而铂元素为Pt0,即铂以铂单质的形式存在,表层的这部分铂原子是在热处理过程中由中间层扩散至薄膜表面的。
(6)可见光照射下降解不同初始浓度的甲基蓝溶液的实验表明,TPT-180s薄膜的光催化活性明显优于纯TiO2薄膜、TTP-180s和PTT-180s薄膜,TPT-180s薄膜对甲基蓝溶液的最佳降解工艺为:甲基蓝初始浓度为30mg/L,体积为100ml;在此工艺条件下,纯TiO2薄膜对甲基蓝溶液的降解率为76.6[%],TPT-180s的最终降解率为83.4[%]。
(7)实验室条件下制备的TiO2薄膜较稳定,反复进行6次降解实验后,纯TiO2薄膜和TPT-180s薄膜对甲基蓝溶液的降解率分别仅下降了5[%]和3[%],再继续进行降解实验,薄膜的光催化活性保持稳定。