江西科技师范学院本科生创业、科研基金项目申报书项 目 名 称：电弧离子镀法沉积金属 Zn 掺杂的可见光催化 TiO2 薄膜研究 项目负责人： 冯上麟学 院：材料科学与工程学院专 业：材料科学类 指 导 教 师： 张淑娟 职称： 讲师2012 年3 月8日江西科技师范学院教务处附件 1项目名称 电弧离子镀法沉积金属 Zn 掺杂的可见光催化 TiO2 薄膜研究来源 自立项目 其它 教师科研课题子项目 （教师课题名称：）科研项目 类型 自然科学 调查研究 软件制作 设计制作实物 其它项目类别创新性实验项目 负责人姓名 冯上麟 学号 20100126 专业 金属材料工程 1 班年级 10 电话 13767144081 EMAIL 545805054qq.com姓名 张淑娟 职称 讲师 电话 13732929585指导教师学院 材料科学与工程学院姓名 院（系） 专业 年级冯上麟 材料科学工程学院 金属材料工程 1班 10胡翔 材料科学工程学院 金属材料工程 1班 10廖小军 材料科学工程学院 金属材料工程 1班 10黎蕾蕾 材料科学工程学院 金属材料工程 1班 10汪元亮 材料科学工程学院 金属材料工程 1班 10项目组成员吴章 材料科学工程学院 金属材料工程 1班 10研究起止时间 2012.4-2013.4申请理由（包括自身具备的知识条件：自己的特长、兴趣等）本人是材料学院 10 金属材料工程 1 班的学生，对材料学的研究和材料表面薄膜的研究感兴趣，并且在学习中认真刻苦，掌握了牢固的专业知识与理论知识，具备完成该课题的知识储备。本项目为指导教师研究性课题，研究内容为金属 Zn 改性掺杂二氧化钛薄膜的制备和光催化性能研究。本课题的完成希望研究制备出具有良好可见光催化降解的优良薄膜，为解决环境污染问题作出贡献。立项背景（研究现状、趋势、研究意义、参考文献和其他有关背景材料）随着世界经济的发展，环境污染问题日益严重，光催化降解污染物是解决环境与能源问题的一个重要途径，此技术是在光催化剂的作用下将光能转化为化学能，生成极具氧化力的自由负离子从而降解污染物。开发廉价、清洁、高效的可见光响应催化材料将是今后光催化领域的主要方向。TiO2作为一种半导体光催化剂具有无毒、性质稳定、成本低廉、无二次污染等诸多优点，利用TiO 2作为光催化剂，在常温、常压下可以将有机污染物彻底氧化为 H2O， CO2等小分子，可非选择性光催化降解几乎所有有机化合物，因此在空气净化、废水处理等领域有重要的应用前景，成为近年来的研究热点1-4。但是TiO 2光谱响应范围窄（只有在紫外光照射下才显示光催化活性） 、光生电子与空穴对容易复合等缺点有待于通过复合改性加以克服，以期拓展TiO 2对太阳光的利用率和降低光生电子和空穴的复合机率，改善提高TiO 2的光催化性是光催化领域研究的重要课题。目前，对TiO 2改性的工作主要集中在金属离子和非金属离子掺杂、贵金属沉积、染料敏化和半导体复合等方面。然而贵金属沉积会增加催化剂的成本；染料敏化可能带来二次污染，染料本身也会被氧化降解；利用CdS等半导体复合容易产生光腐蚀致使催化剂失活。因此，离子（金属离子、非金属离子）改性掺杂成为提高TiO 2光催化能力的重要手段。目前对 TiO2 进行 Zn5-6、V7、Fe8、Cr8、Cu10等金属离子掺杂的 TiO2薄膜在其表面引入缺陷位置，成为电子或缺陷的陷阱，降低光生电子与空穴的复合几率，增加比表面积，有效地提高光催化效率。TiO2 有多种制备方法，如溶胶-凝胶法、水热法，磁控溅射法、蒸镀法等。尤其改性掺杂的 TiO2 多为溶胶-凝胶法，且制备的以 TiO2 粉体居多，但粉体不易回收，难分离。电弧离子镀技术则弥补了传统制备方法的不足，具有掺杂量精确可控，成膜质量高，易于晶化、制备周期短，可大批量生产等优势，有望成为可见光催化 TiO2 改性掺杂薄膜的最佳制备方法。目前，国内外用电弧离子镀法制备 TiO2 薄膜的研究还刚刚起步，所报道的结果也并不一致，叶长江等人用多弧离子镀法制备 TiO2 薄膜，催化性能也仅限紫外光催化部分11-16，H.Yumoto 等人研究了偏压和电流密度对 TiO2 薄膜性能的影响17-19，J.T.chang 等人研究了对 N 和 Cr 掺杂对薄膜吸收边的影响，但没有介绍可见光下的光催化性能 20-21 。申请者前期的研究表明22-24，以电弧离子镀法制备的 TiO2 薄膜膜层质量高，紫外光催化性优异；制备的 N 掺杂 TiO2 薄膜除具有上述优点以外，吸收边发生了显著红移，扩展到了可见光区，可见光下具有一定的光催化性能。现有研究尚较少涉及电弧离子镀法制备金属 Zn 改性掺杂的 TiO2 薄膜的工艺、薄膜结构和光催化性能的系统研究，所以研究电弧离子镀沉积 Zn 掺杂的 TiO2 薄膜具有很好的理论的意义和现实意义。参考文献：1.AsahiR,MorikawaT,etal.Visible-light photocatalysis in nitorgen-doped titanium oxides. J.Science,2001,293(5528):269-271.2.Veda Ramaswamy,N.B.Jagtap.Photocatalytic decomposition of methylene blue on nanocrystalline titania prepared by different methods, J Materials Research Bulletin, 2008,43:1145-11523.唐达培,高庆 ,江晓禹.TiO 2薄膜的结构和光催化活性研究 , J材料导报,2006, 20(6):62-644.杨华滨,段月琴 .Fe3+,Zn2+共掺杂高效纳米TiO 2光催化剂的制备表征及光催化性能, J天津理工大学学报,2008.24:22-25.5.徐晓娟,费学宁等 .ZnO/TiO2改性催化剂在阳光照射下对溴氨酸水溶液的催化降解J.天津城市建设学院学报.2008.14:263-266.6.曹振娟,董帆 .锌掺杂纳米TiO 2光催化剂制备条件研究 .J电子元件与材料.2007.20:20-237.管晶,梁文懂 .掺钒二氧化钛的可见光催化性能研究.J 应用化工.2006.35:117-119.8.谭礼林,甘佐华等 .Fe元素掺杂二氧化钛纳米薄膜的光物理化学性质.J海南师范大学学报.2009.22:418-424.9.刘国光,郭小阳等 .Zr/TiO2纳米管的制备及其光催化活性的初步研究 .J环境科学学报.2008.28:710-713.10.郑伟双, 张光友等.掺铜纳米二氧化钛光催化降解偏二甲肼废水.J科学导报.2006.24:21-23.11.叶长江,袁永 ,黎碧莲.电弧离子镀纳米TiO 2光催化薄膜 , J真空,2005,42(1): 22-24.12.袁永,马颖 ,叶长江.电弧离子镀锐钛矿型TiO 2薄膜光催化降解苯酚 . J材料科学与工程学报, 2005,23(2):273-275.13.吴奎,叶勤 .射频溅射法和电弧离子镀法制备的纳米TiO 2薄膜性能比较. J暨南大学学报, 2006,27(3):393-397.14.姜涛,吴一平 ,乔学亮等.多弧离子淀积TiO 2气敏薄膜材料 .J传感器技术,1996, (2):31-3415.Hirofumi T, Takaaki M, Tateki S et al.Properties of titanium oxide film prepared by reactive cathodic vacuum arc deposition. J Thin Solid Films, 1999, 348:145-151.16.X L,Cheng S J Hu , Structure and properties of TiO2 films prepared by ion beam assisted deposition. JSurface&Coatings Technology , 2007,201:5552-5555.17 .Yumoto H, Matsudo S, Akashi K.Photocatalytic decomposition of NO2 on TiO2films prepared by arc ion plating. J Vacuum,2002, 65:509514.18.Zhang M, Guo Q L, Dong C, et al.Amorphous TiO2 films with high refractive index deposited by pulsed bias arc ion plating . J Surface & Coatings Technology, 2007, 201: 7252725819.Chang J T, Su CW, He JL.Photocatalytic Ti02 film prepared using arc ion plating.J Surface & Coatings Technology, 2006,200:3027 3034.20. Chang J T, Lai YF, He J L.Photocatalytic performance of chromium or nitrogen doped arc ion plated-Ti02 films. J Surface & Coatings Technology, 2005,200: 16401644.21.马永新,周友苏等 .多弧离子镀镀制掺氮二氧化钛薄膜及其光吸收特性的研究.J真空.2006,43(5):1-5.22.LI Ming-sheng, ZHANG Shu-juan, LOU Jin, et al. Deposition of photocatalytic TiO2 and N-doped TiO2 films by arc ion plating. Trans Nonferrous Metals Society of China, 2007.17:S827-S830.23.张淑娟,李明升 ,黎响等.脉冲偏压及退火处理对电弧离子镀光催化 N 掺杂 TiO2 薄膜结构和性能的影响.J人工晶体学报. 200938(增)335-338.24.Shu Juan Zhang, Ming Sheng Li, Zhi qin chen et al. Effects of N-doped Quantity and Current Density on Properties of TiO2 Films by Arc Ion Plating. Advanced Materials Research Vol. 345 (2012) pp 87-92.项目内容及实施方案（包括研究内容、实施进度安排、方法步骤、人员分配等）研究内容：本课题将会系统的研究金属 Zn 改性掺杂与负偏压、沉积时间、电弧电流共同作用对簿膜光催化性能的影响，利用电弧离子镀法制备金属 Zn 元素掺杂的 TiO2 薄膜，通过工艺优化和掺杂控制，希望研究制备出具有良好可见光催化降解的优良薄膜，为解决环境污染问题作出贡献。进度安排：（1）2012 年 4 月2012 年 5 月，资料文献收集，设计实验方案；（2）2012 年 5 月2011 年 7 月，