纳米薄膜光催化降解研究进展

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1、纳米薄膜光催化降解研究进展摘要：光催化降解，简单地说就是利用某种材料作光催化剂，以实现对某些有毒害物质的分解。近年来，人们认识到用半导体氧化物作光催化剂，具有高效节能、清洁无毒、无二次污染和工艺筒单等优点，同时具有超强的氧化能力，在光解水制氢气和降解有机污染物等方面有着广阔的应用前景。本文综述了最近几年TiO2簿膜以及其改性簿膜的研究，简要介绍了其他光催化薄膜ZnO、WO3的研究进展。关键词：纳米二氧化钬；纳米氧化锌；纳米氧化钨；制备；光催化1引言近些年来，环境污染日益严重，成为威胁人类生存的一

2、个严重问题。为了解决这一难题，人们展开了治理污染、保护环境的科学研究。以半导体为催化剂，利用太阳光催化氧化有毒污染物质作为一种有效的治理污染方法，成为环境保护科学研究的一个热点。1972年，Fujishima和Honda发现光电池中光照射的TiO2,可持续发生水的氧化还原反应产生H2,1976年，Frank将半导体材料用于降解污染物。从此，以TiO2为代表的半导体光催化剂开始发展起来。但TiO2的光催化效率不高，而且光响应范围在紫外光区，太阳光利用率低，制约了它的发展。对于TiO2的改性研究，提

3、高其催化效率，扩大它的光响应范围，是近些年研究的主要方向。另外，其他的光催化材料如ZnO、WO3等的研究也取得了很大进展。本文回顾了最近几年TiO2以及其改性的研究进展和其他光催化材料ZnO、WO3的研究进展。2TiO2的研究世界上能作为光触媒的材料众多，包括TiO2、ZnO、SnO2、ZrO2、CdS等多种氧化物硫化物半导体，其中TiO2价格便宜，化学稳定性好，无毒且原料易得，强抗光腐蚀性和光催化性，因此成为目前使用较为广泛的半导体光阳极材料。由于纳米TiO2神奇的光催化功能，应用范围不断扩大

4、，而TiO2薄膜的制备是实现其实用价值的基础［11。2.1金属钛片的阳极氧化方法阳极氧化方法是以金属钛片为阳极，Pt片或石墨为对电极，在一定电压下，含氟电解液中氧生成TiO2纳米管阵列的方法［21。人们通过观察氧化过程中电流随时间的变化曲线，普遍认为钛的氧化过程与铝的氧化过程相似，可分为阻挡层的形成过程、纳米孔的形成过程以及多孔的生长过程。首先，在基板的表面生成大量致密氧化物，体积膨胀产生的内应力使阻档层的表面出现微观起伏；在起伏的凹陷处，由于电场强度增加而加大了电解液对凹陷处氧化膜的溶解，产生

5、了原始的纳米孔胚胎并为电流的通过提供了通道，使得氧化过程得以继续；而后在腐蚀介质（电解液）与电场的共同作用下，孔道底部向基体延伸。阳极氧化生成的TiO2是无定型的，需进行后续的晶化处理。阳极氧化法能制备牢固负载于基体上的TiO2纳米管阵列，这有助于构筑纳米结构及其在纳米器件上的应用。2.2金属钛片的直接热氧化方法金属钬片的直接热氧化就是把洗干净的钬片放入管式炉中加热氧化，或者通过煤气灯火焰氧化。它主要以空气或氧气为氧源，通过高温参加反应，形成金红石晶体结构的TiO2薄膜此方法是一种成膜较简便的方

6、法，具有与基底接触紧密、不易脱落等优点。这种方法最早用来制备光电化学分解水装置中的TiO2光阳极，后来由于溶胶•凝胶法、气相沉积、自组装等新方法的兴起而发展缓慢。2002年Khan通过焰烧钛片制备了C掺杂的TiCh薄膜，吸光范围延伸到535nm左右的可见光区，这一发现又掀起一股对热氧化制备方法研究的热潮。2.3溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是20世纪60年代发展起来的制备玻璃、陶瓷等无机材料的新工艺，是指金属有机或尤机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经过热处理而成为氧化物或其他固体化合物的方法［4

7、］。Sol-gel法的工艺过程包括溶胶的制备，溶胶凝胶的转化以及凝胶干燥三步。按照溶胶的形成方法或存在状态，溶胶凝胶工艺可分为无机途径和有机途径。2.4低温液相反应法在常压和较低温度下，采用大量稀酸溶解TiO2*2H2O沉淀，通过长时间的搅拌，使沉淀完全溶解成为溶胶，在稀酸的条件下所制备溶液中TiO2晶型即为光催化作用较强的锐钛矿晶型l4L2.5物理气相沉积法物理气相沉积法(PVD)镀膜技术主要分为三类：真空蒸发镀膜、真空溅射镀和真空离子镀膜。目前应用较广的是离子镀。真空蒸发镀膜最常用的是电阻加

8、热法，其优点是加热源的结构简单，造价低廉，操作方便；缺点是不适用于难熔金属和耐高温的介质材料。溅射技术与真空蒸发技术有所不同。“溅射”是指荷能粒子轰击固体表面(靶)，使固体原子或分子从表面射出的现象。溅射镀膜与真空蒸发镀膜相比，有许多优点，如任何物质均可以溅射，尤其是高熔点，低蒸气压的元素和化合物；溅射膜与基板之间的附着性好；薄膜密度高；膜厚可控制和重复性好等。缺点是设备比较复杂，需要高压装置。将蒸发法与溅射法相结合，即为离子镀。这种方法的优点是得到的膜与基板间有极强的附着力，有较高的沉积速率，