n掺杂tio2纳米薄膜的光催化和超亲水性能研究

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1、N掺杂TiO2纳米薄膜的光催化和超亲水性能研究M.Chekini¹，M.R.Mohammadizadeh¹’²，S.M.VaezAllaei¹1.伊朗德黑兰大学超导研究实验室（SRL）伊朗德黑兰北Karegar大道处14395-5472.布鲁克大学物理系加拿大St.Catharines,ON,L2S3A11.摘要：通过溶胶-凝胶法旋涂在钠钙玻璃基板制作纯二氧化钛和氮掺杂二氧化钛（N-TiO2）的薄膜。四氯化钛和尿素用作Ti和N的来源溶胶。X射线衍射结果表明，氮掺杂阻碍了TiO2锐钛矿相向金红石相转变。掺杂也导致了样品的粗糙度从4n

2、m（TiO2）减少到1nm（N-TiO2）。薄膜的禁带宽度由3.65eV（TiO2）变成3.47eV（N-TiO2）。在紫外光照射条件下，通过对薄膜的亲水性转换和光催化降解性能研究，N-二氧化钛薄膜表现出更加良好的亲水性和光催化性能。关键词：溶胶-凝胶氮掺杂二氧化钛（N-TiO2）薄膜旋涂亲水性光催化2.引言二氧化钛具有相当有益的性能，如化学稳定性，无毒性和低制造成本，吸引了大量的用于工业用途的兴趣[1]。此外，在二氧化钛发现具有光致光催化和亲水性后已经发现她的许多工业应用。常见的应用，如用于环境净化、能量转换、表面防雾、自清洁和

3、抗菌性能的媒介，它们都被广泛用于商业产品中[2]。由于二氧化钛的带隙大，吸收限又位于紫外光谱，所以有大量实验尝试减少其带隙而更好的利用太阳光谱（可见光，只要它的紫外辐射）。几经努力，例如过渡金属掺杂，染料合成，氢等离子体还原，和耦合到其它半导体（低带隙），已经表现出可以缩窄二氧化钛的带隙[3,4]。2001年，Asahi和他的同事进行了密度泛函理论计算来说明二氧化钛氧（O）位置点的阴离子（C，N，P，S和F）置换如何导致二氧化钛的带隙缩小。尤其是取代氮掺杂在N-2p和O-2p混合状态下能影响能带结构，而间质掺杂则无效[5]。另一方

4、面，瓦伦等使用电子顺磁共振和X-射线光电子能谱（XPS）测量和密度泛函理论计算表明，间质氮掺杂质起作用归功于离散水平高电价带边缘的制造[6]。在XPS光谱中，间质N-掺杂的可见光活性有着和硝酸盐一样的特性，但要高于替代N-掺杂。作为物理效应，众所周知的是它的润湿性是表面形态起主导作用。相对于界面的化学特性，几何特征可以控制一个给定界面的亲水性/疏水。最近一些报告已经显示通过控制固有亲水界面的粗糙度制造超亲水性表面的可能性。此外，萨卡尔等已经展示了界面的自仿射分形特征如何在其润湿性上发挥主要作用。因此，表面形貌的表征对于理解它的润湿

5、性特征是很必要的。用原子力显微镜测量，并将结果进行统计分析，这些研究可以被利用。在本文中，我们研究氮掺杂对TiO2薄膜的影响。样品的结构进行了研究，通过XRD，AFM，SEM和UV-可见光光谱学分析来表征样品的光催化性和亲水性。我们同时也研究统计特性和表面粗糙度，以了解他们对系统的润湿性产生影响的可能性。114.实验细节二氧化钛单层薄膜是通过溶胶-凝胶碱石灰钠钙玻璃基板制成的。一容积的四氯化钛在搅拌状态下逐滴添加到10份乙醇中，同时将温度保持恒定在摄氏零度。精加工的白色蒸气曝光后，6份的去离子水的尿素溶液加入到初始溶胶中。在最终的

6、溶胶中尿素/四氯化钛摩尔比为4/1。通过以4000rpm的转速在钠钙玻璃基板上旋涂一层50μL的溶胶。为制备纯TiO2样品使用了不含尿素的相同溶胶（通过将6份去离子水加到初始溶胶代替尿素溶液）。各样品在150◦℃下干燥一小时，然后形成锐钛矿相。TiO2和N-TiO2粉末样品制成TiO2和N-TiO2粉末样品制作是使溶胶在150◦下干燥一个小时,然后在300和450◦C下各煅烧60分钟。x射线衍射测量值是采用飞利浦PW1390衍射仪和CuKα辐射源在20◦-70◦范围角内4◦/分钟的扫描速率下得到。薄膜的透射率和反射率光谱测量值是在

7、紫外光-可见光（250–900nm）范围用一个单一的光束分光光度计（PerkinElmer公司产的LAMBDA950）测量得到。薄膜的厚度是用光学干涉法测定。扫描电镜（LEO1455VP，由白金沉积）的图像被用于表面形貌的研究。二氧化钛薄膜的表面粗糙度和形貌值是利用原子力显微镜（AFM）中NT-MDT仪器的半接触模式进行评估。水微粒的接触角，从空气中的作为制备薄膜的液滴的图像轮廓提取。CCD照相机（ProlineUK）用于获取液滴图像和液滴在薄膜表面扩散过程。每个接触角是三次测定的平均值。薄膜的光催化活性亚甲基蓝（MB）的分解来确

8、定。甲基溴(MB)在UV光照射（8-10µW/cm2时）下的降解是通过使用紫外可见分光光度计（Bausch&Lamb710）测量吸收光谱测定的。甲基溴(MB)污染的初始浓度（C0）被选为10-4M。5.结果与讨论粉末样品用于X射线衍射分析。纯TiO