纳米薄膜光催化降解研究进展详解.doc

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、无二次污染和工艺简单等优点，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 薄膜以及其改性薄膜的研究，简要介绍了其他光催化薄膜ZnO、WO3的研究进展。 关键词：纳米二氧化钛；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。 2 TiO2 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，而TiO2薄膜的制备是实现其实用价值的基础[1]。 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[2]。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挡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 金属钛片的直接热氧化就是把洗干净的钛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[3]。此方法是一种成膜较简便的方法，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TiO2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]。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[4]。 2.5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