zn掺杂tio_2纳米薄膜的制备及其光学性能研究

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1、太原理工大学硕士研究生学位论文Zn掺杂TiO2纳米薄膜的制备及其光学性能研究摘要随着科技的发展和社会的进步，环境问题和能源问题成为人类面临的两大首要问题。TiO2作为一种安全无毒且取材方便的半导体材料，因其在光催化和光电效应方面的优秀性能，在缓解环境问题和有效利用太阳能方面有很广泛的应用前景。但因为TiO2较宽的禁带宽度(3.2eV)，使其只能吸收占太阳光总能量很少的紫外光；同时TiO2光生电子与空穴复合快，导致其光量子效率低。使用金属离子掺杂及半导体复合是解决上述问题的有效方法。本文采用溶胶-凝胶法配合旋涂法，在玻璃基底上制备了TiO2纳米薄膜，研究

2、了不同热处理温度对薄膜结晶程度及光学性能的影响。同时制备了掺杂ZnO和Zn2+不同相成分的TiO2/ZnTiO3复合薄膜，并对影响复合薄膜性能的因素进行了探讨。利用扫面电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见吸收光谱(uv-vis)对其形貌、晶体结构、化学组成和光谱响应特征进行了表征。以亚甲基蓝(MB)溶液在紫外光下的脱色降解为模型反应，考察了不同ZnO及Zn2+掺入比例对复合薄膜的光催化性能影响。以氙灯为光源模拟阳光，考察了Zn掺杂后复合薄膜的光电性能。通过溶胶-凝胶法制备的TiO2纳米薄膜及粉体，经不同的温

3、度热处理后，TiO2纳米材料的结晶性能和表面形貌都有所不同。热处理温度较低时，I太原理工大学硕士研究生学位论文TiO2结晶程度不高；随着热处理温度升高，TiO2的结晶性能提高。其中，550℃处理后，TiO2薄膜材料的结晶度高，晶粒分布均匀，晶粒大小约为30nm；而处理温度为650℃时TiO2由锐钛矿转变成了金红石相。不同温度处理后的TiO2纳米薄膜对紫外光的吸收能力有所不同。其中，经550℃处理后的材料对紫外光的吸收能力最强；650℃处理后的材料光吸收曲线有一定蓝移；且不同温度处理后的材料在可见光区都无明显吸收。经550℃热处理，结晶性能及表面形貌都较

4、好的锐钛矿相TiO2在紫外光照下催化降解MB溶液的能力很强。经300min紫外光照，催化降解MB溶液效率达85%。而经650℃热处理的锐钛矿与金红石相混晶薄膜在紫外光照下催化降解MB溶液的能力较弱，经300min紫外光照，约降解75%。通过将不同比例ZnO粉末加入TiO2溶胶前驱体中的方法制备出TiO2/ZnTiO3复合光催化薄膜，在550℃下焙烧2h后得到不同TiO2晶型和钙钛矿相ZnTiO3的复合薄膜。TiO2/ZnTiO3复合光催化薄膜中TiO2的晶型明显影响复合薄膜在紫外光下的光吸收性能，且复合结构中钛酸锌的含量对试样在紫外光区的吸光度随着钛酸

5、锌含量的增加呈现先增强然后减弱的趋势。在TiO2/ZnTiO3复合光催化薄膜结构中，当ZnTiO3相含量较低时，锐钛矿相TiO2、金红石相TiO2、钙钛矿相ZnTiO3形成的三相复合薄膜在紫外光下的光催化活性优于纯TiO2，经300min紫外光照后，降解MB溶液约为93%。以醋酸锌为Zn2+源，通过溶胶-凝胶法制备了TiO2与钛酸锌复合的纳米薄膜材料。在550℃焙烧2h后得到不同TiO2晶型和钙钛矿相ZnTiO3的复合薄膜。以醋酸锌为Zn源进行掺杂后，薄膜表面形貌有明显不同：材料表II太原理工大学硕士研究生学位论文面颗粒细小许多，且有一定团聚现象。当Z

6、n掺杂量较高后，在薄膜表面有ZnO析出；但复合的结构并未对材料的光响应区域有所影响。锐钛矿相TiO2与钙钛矿相ZnTiO3的复合结构提高了光生载流子的分离效率。关键词：溶胶-凝胶法，Zn掺杂，ZnTiO3/TiO2复合，光催化，光电性能III太原理工大学硕士研究生学位论文PREPARATIONANDOPTICALPROPERTYSTUDYOFZINCDOPEDTiO2NANOFILMABSTRACTWiththedevelopmentoftechnologyandadvanceinsocialdevelopment,environmentalanden

7、ergyissueshavebecomethemosttwoimportantissuesofhumansociety.TiO2asasafe,non-toxicandeasilyobtainedsemiconductormaterial,hasbeenwidelyusedinsolarenergyandenvironmentprotectionbecauseofitsexcellentperformanceinphotocatalysisandphotoelectriceffect.However,therearestilltwomajorunres

8、olvedproblemsthatimpedethepracticalapplicationo