厦门大学硕士学位论文纳米二氧化钛薄膜的制备及金属离子掺杂对其结构和性能的影 响姓名：王书亮申请学位级别：硕士专业：材料学指导教师：曾人杰20050801中 文 摘 要 I纳米二氧化钛薄膜的制备及金属离子掺杂对其结构纳米二氧化钛薄膜的制备及金属离子掺杂对其结构 和性能的影响和性能的影响 中中 文文 摘摘 要要 近年来，随着全球工业化进程的迅速发展，环境问题日趋严峻。各国都将环境污染治理作为头等大事，纷纷投入巨资用于环境净化材料和环境污染治理技术等方面的研究，其中光催化消除和降解污染物成为最活跃的一个研究方向。利用二氧化钛的光催化氧化和亲水性，可以开发出新型的自清洁材料，并有着广泛的应用前景。 本实验采用溶胶凝胶法制备了掺杂 Mg2+和 Li+的 TiO2薄膜。采用SEM、UVVis、XRD、XPS、IR 等手段系统的对薄膜和粉末样品进行表征，并对掺杂前后 TiO2薄膜亲水性能和光催化降解甲基橙溶液进行研究。主要研究进展及成果如下： 1. 在紫外光的照射下，TiO2薄膜表现了明显的亲水性，且对低浓度甲基橙显示了明显的除去效果，同时表明薄膜的厚度对催化活性的提高只在一定范围内有效。 2. 对 Mg2+掺杂的 TiO2体系进行表征，发现 Mg2+掺杂阻碍了 TiO2的晶型转变（锐钛矿金红石） ，且随着 Mg2+掺杂量的增加，晶型转变越不容易发生；Mg2+在 TiO2高温相（金红石）的固溶度低于在 TiO2低温相（锐钛矿）的固溶度。掺入 Mg2+后，TiO2薄膜的紫外可见吸收光谱发生蓝移，且有良好的透光率。 在紫外光的照射下， 掺杂 Mg2+增强了 TiO2薄膜亲水性，但是却降低了对甲基橙溶液的光催化效果。 3. 对Li+掺杂的TiO2体系进行表征， 发现Li+掺杂促进TiO2的晶型转变 （锐钛矿金红石） ，且随着 Li+掺杂量的增加，这种促进作用开始增强，当掺杂量继续增加时， 这种促进作用又开始减弱； Li+在 TiO2高温相 （金红石）厦门大学工学硕士论文 II的固溶度低于在 TiO2低温相（锐钛矿）的固溶度。在同为金红石相时，低温热处理的样品中固溶度较高一些。掺杂 Li+后，TiO2薄膜的紫外可见吸收光谱发生蓝移，且有良好的透光率。在紫外光的照射下，掺杂 Li+增强了TiO2薄膜的亲水性，但是却降低了对甲基橙溶液的光催化效果。 关键词：溶胶凝胶；TiO2；掺杂 Abstract IIIPreparation of Nano-Titanium Dioxide Films and the Effects of Morphology and Properties by Doping Metal Ions Abstract In recent years, with the expanding of global industrialization, the problem of environment pollution is more and more serious. A lot of researches on this problem have been performed by chemists, physicists, and chemical engineers. Among them, semiconductor photocatalysis is a promising technology that has a variety of application in environmental system such as air purification, water disinfections, hazardous waste remediation and water purification. A new self-cleaning material can be inspired by the potential application of the hydrophilicity and titanium dioxide-based photocatalysts for the total destruction of organic compounds in polluted air and waste water. In this work, titanium dioxide thin films undoped and doped with magnesium ion or lithium ion have been prepared by sol-gel technique. SEM、UV-Vis、XRD、XPS、IR etc., have been used to characterize the thin films and powders. The hydrophilicity and photodegradation properties of methylene orange solutions exposed to UV light illumination are investigated. The main results and progresses of this thesis work are outlined as following: 1. Under UV light illumination, pure titanium dioxide thin film showes the super-hydrophilicity. It is also found that the photodegradation of methylene orange is in relation of the thickness of film and photocatalytic performances would be not improved after the certain thickness. 2. In the system of titanium dioxide doped with magnesium ion, it is found that magnesium ion doping can retard the polymorphic transition of titanium dioxide from anatase to rutile and the retardance is becoming stronger with the increment of 厦门大学工学硕士论文 IVdoping content, whats more, magnesium ion is easier dissolved in anatase than rutile. Magnesium ion doping made the UV-Vis absorption spectrum of titanium dioxide film produce “blue shift”; Under UV light illumination, magnesium ion doping improves hydrophilicity and worsens photocatalytic activities of titanium dioxide film in photodegradation of methylene orange solution. 3. In the system of titanium dioxide doped with lithium ion, it is found that lithium ion doping can promote the polymorphic transition of titanium dioxide from anatase to rutile and the promotion is becoming stronger firstly and then weaker with the increment of doping content, whats more, lithium ion is easier dissolved in anatase than rutile. Lithium ion doping made the UV-Vis absorption spectrum of titanium dioxide film produce “blue shift”, improves its hydrophilicity and worsens its photocatalytic activities in photodegradation of methylene orange solution under UV illumination. Key Words: Sol-gel method；Titanium dioxide；Doping 第一章 绪 论 1第一章 绪 论 第一章 绪 论 1.1 纳米科技简介 1.1 纳米科技简介 纳米科技是 20 世纪 80 年代末期诞生并正在快速崛起的新学科领域，它的基本涵义是研究尺寸在 0.1100 nm 之间的物质组成体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术和科学问题1。 当前纳米科技发展的特征是：以制备纳米材料和器件为基础，以发展纳米尺度的检测和表征手段为依托，以挖掘纳米材料或器件的奇异性能，并探索其可能的应用为目标，其中纳米材料和器件的制备与应用水平是衡量我们是否进入真正的纳米时代1。 1.1.1 纳米科技发展的历史1.1.1 纳米科技发展的历史2 最早提出纳米尺度上的科学和技术问题是著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德费曼。1959 年他在美国加州理工学院做题为“在底部还有大量空间”的演讲中，设想要在原子和分子水平上操纵和控制物质，并提出了一些研究方向,提醒人们：如果有一天能按照自己的主观意愿排列原子，世界将会发生什么样的奇迹？可惜在其后的一二十年内，费曼的设想并没有引起人们的重视3。直到 20 世纪 70 年代，科学家们才开始从不同角度，提出一些有关纳米科技的设想， 但都没有形成系统研究。 1974 年， Taniguchi最早使用纳米技术一词描述精细机械加工，用这个新词来强调当时的微米技术已不足以满足工业界的要求。1977 年，埃里克德雷克斯勒首先提出分子纳米科技的概念，提倡纳米科技研究。20 世纪 70 年代末，德雷克斯勒访问斯坦福大学，并成立了由他领导的纳米科技研究小组。他在纳米科技新纪元一书中评价道：纳米科技将会像产业革命、抗菌素，以及核武器一样给人们的生产生活带来深远的影响。 纳米科技的迅速发展是在 20 世纪 80 年代初发明了费曼所期望的纳米科技研究的重要仪器扫描隧道显微镜和原子力显微镜等微观表征和操纵厦门大学工学硕士论文 2技术，对纳米科技的发展起到积极的促进作用。与此同时，纳米尺度上的多学科交叉展现了巨大的生命力，迅速形成为一个多学科内容广泛和潜在诱人应用前景的研究领域。1990 年 7 月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩与第五届国际扫描隧道显微学会议同时举办， 纳米技术和纳米生物学这两种国际专业期刊也相继问世。一门崭新的科学技术纳米科技从此得到科技界的广泛关注。纳米科技诞生短短的几十年，在许多领域已取得了显著进展4-5。 正像我国著名科学家钱学森预言的那样：纳米和纳米结构是下一阶段科技发展的一个重点，会是一次技术革命，从而将是 21 世纪的又一次产业革命。 1.1.2 纳米科技的研究领域1.1.2 纳米科技的研究领域9 纳米科技的核心思想是制备纳米尺度的材料或结构，发掘纳米材料的特性，并应用于各个领域。纳米科技具有多学科交叉性