锐钛矿型TiO2薄膜的研究进展

二氧化钛薄膜是一种重要的半导体材料,在传感器、光催化和太阳电池等领域具有广阔的应用前景.二氧化钛薄膜的制备方法决定了其物相结构、物理化学性质、光学和电学特性.简要介绍了二氧化钛的物相结构,综述了锐钛矿型二氧化钛薄膜的制备方法,分析讨论了它们各自的优缺点,展望了其未来的发展趋势.

电弧离子镀锐钛矿型TiO_2薄膜光催化降解苯酚

采用电弧离子镀法在普通玻璃表面制备透明的TiO2 薄膜 ,用AFM、XRD对TiO2 薄膜表面进行了表征 ,结果表明未经退火的薄膜主要以非晶态型存在 ;经过 5 0 0℃退火后 ,纳米TiO2 薄膜主要为锐钛矿结构。研究了纳米TiO2薄膜对难降解的有机物苯酚进行了研究 ,半小时就降解了 30 % ,经 5 0 0℃退火后的纳米TiO2 薄膜光催化性能更为显著。

加添加剂水热法简易制备锐钛矿型TiO_2薄膜及其表征

在3种晶型(锐钛矿型、板钛矿型和金红石型)的TiO2中,只有锐钛矿型的TiO2具有较好的光催化活性。因为钛矿型TiO2不稳定,它容易转化为最稳定的金红石型,所以简易地制备锐钛矿型TiO2比较困难。在最佳条件下:以0.15 mol/L的Ti(SO4)2溶液为原料,外加添加剂(关键技术,添加剂/Ti4+摩尔比为4/1)于170℃下水热反应4 h,在玻璃基板上制备TiO2纳米晶体薄膜,SEM、TEM和XRD表征结果说明,生成的TiO2晶体为锐钛矿型。制备的TiO2薄膜平整、密实,厚约2μm,薄膜由大面积的TiO2纳米晶体自组装而成,TiO2纳米晶体呈现八面体结构,平整的三角形表面边长约100～200 nm,晶体长约1μm。

直流反应磁控溅射制备锐钛矿型TiO_2薄膜

采用直流反应磁控溅射的方法,在衬底温度为350℃的条件下溅射高纯钛靶,并在玻璃衬底上制备了TiO2薄膜。采用正交设计法探讨了溅射气压、溅射电流、氧氩比和溅射时间等实验条件对TiO2薄膜结构的影响。经过X射线衍射和拉曼光谱分析,制备结晶良好的锐钛矿结构TiO2薄膜的最佳实验条件为:溅射气压0.3Pa;溅射电流0.7A;氧氩比1∶3;溅射时间40min;退火温度650℃。

锐钛矿型TiO_2薄膜的水热法制备及其表征

通过探索最佳条件[硫酸氧钛(TiOSO_4)浓度、添加剂加入量、反应的温度与时间],于玻璃基板上采用水热法制备了TiO_2薄膜,并对产物晶体进行了X射线衍射和扫描电镜表征。结果表明:所制TiO_2薄膜的最佳条件是:0.15mol/L TiOSO_4、Ti^(4+)/添加剂摩尔比4/1、170℃、4h;所制备的TiO_2薄膜晶体为锐钛矿型即A-TiO_2,晶体为八面体,其长度约1μm,晶体的三角面边长在100~200nm之间,薄膜约2μm厚。

锐钛矿型TiO_2薄膜的低温制备及其光催化性能研究

采用改进的sol-gel法及浸渍–提拉工艺在低温条件下制备了纳米TiO2薄膜。利用X射线衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、扫描电镜(SEM)及紫外–可见光光谱仪(UV-Vis)对所制TiO2薄膜的物相结构、表面形貌以及光吸收特性进行了表征,并利用紫外光照降解亚甲基蓝溶液的方法考察了TiO2薄膜的光催化活性。结果表明:低温制备的纳米TiO2薄膜为锐钛矿结构,表面均匀致密,且对紫外光表现出较强的吸收特性。在紫外光照射48 h后,该TiO2薄膜对亚甲基蓝溶液的降解率为67.4%。

纳米TiO_2薄膜中锐钛矿晶型的稳定性研究

采用溶胶—凝胶法制备钛溶液 ,将钛溶胶涂敷在玻璃和陶瓷基片上 ,干燥后进行煅烧 ,形成具有亲水 亲油作用、抗菌自清洁作用和防雾作用的纳米TiO2 薄膜。实验展示了与文献所述不同的结果。涂敷 1层— 7层的薄膜 ,其亲水性随层数增加而增大 ,未发现最大值 ;热处理温度为 65 0 -670℃ ,反复涂层反复煅烧保温条件下 ,仍未发现显著的金红石量生成。研究认为涂敷层数的增加不应降低光催化效率 ,影响纳米TiO2 薄膜光催化性质的主要因素是纳米粒子的表面密度和晶粒尺寸 ;纳米尺度下锐钛矿向金红石的转变温度并非固定 ,条件适宜时 ,可在较高温度下保持纳米锐钛矿的晶型稳定 ;影响纳米薄膜中TiO2 锐钛矿向金红石转变的因素主要与工艺条件。

金红石/锐钛矿混晶结构的TiO_2薄膜光催化活性

采用磁控溅射法制备出一组金红石/锐钛矿混晶结构的纳米TiO2薄膜催化剂,并通过光催化降解苯酚实验考察该薄膜的催化性能.光催化实验证明,随着催化剂中金红石含量减少,催化剂的光催化活性逐渐提高.X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、表面光电压谱(SPS)和原子力显微镜(AFM)结果表明,催化剂为金红石和锐钛矿混晶结构,并随着金红石含量减少,催化剂的表面羟基(OH)和桥氧(—O—)的含量逐渐增加,而且费米能级逐渐提高.表面羟基和桥氧是有利于光催化的"活性物种";费米能级的提高使TiO2/H2O界面处TiO2的表面带弯增大,导致了价带光生空穴参加光催化反应的几率增大,有效地促进了光生载流子的分离;这些因素是催化剂光催化活性逐渐提高的主要原因.

锐钛矿型TiO_2水溶胶的低温制备及其表征

Anatase titanium dioxide hydrosol was prepared at low temperature by a simple method. The title material was characterized by TEM, XRD, FTIR and BET, respectively. The photocatalytic activity of the as-prepared TiO2 was evaluated by the degradation of methyl orange solution under sunlight and the photocatalytic oxidation of acetone in air. The results showed that the titanium dioxide hydrosol was composed of anatase phase with average grain size of about 7 nm, and the crystallinity became more perfect with the increase of temperature. The BET surface areas were more than 220 m2·g-1 for these samples. It is found that the photocatalytic activity was much better for the higher heat processing temperature. Especially, the photocatalytic activity of the sample with a heat treatment of 110 ℃ was better than that of P25. In addition, TiO2 hydrosol also possessed good photocatalytic activity under the sunlight illumination.

锐钛矿型纳米TiO_2在棉织物上的原位生长及其抗紫外线性能

室温条件下白色棉府绸织物二浸二轧自制的TiO2-SiO2复合溶胶，于98—100℃水热处理20min后晾干。织物的紫外线透过率和UPF测定结果显示，复合溶胶整理后棉织物的紫外线防护性能大大提高。采用SEM、AFM和XRD对整理后棉织物进行表征发现织物上有锐钛矿型纳米TiO2生成，其粒径为30m左右。标准水洗实验证明，棉织物上原位生长的锐钛矿型纳米TiO2与织物结合牢固，10次水洗后织物的抗紫外线性能没有下降，反而有所提高。

Ce掺杂锐钛矿型TiO2密度的泛函理论应用

采用基于密度泛函理论(DFT)框架下的第一性原理平面波赝势(PWPP)方法,模拟计算了纯的TiO2和Ce掺杂锐钛矿TiO2的能带结构、态密度及光学性质,分析了Ce掺杂对锐钛矿TiO2的晶体结构、能隙、态密度和光吸收系数的影响.结果表明:Ce掺杂锐钛矿TiO2晶体后,Ce的4 f轨道进入导带使导带底向低能端移动,禁带宽度变小,吸收带红移,可见光区具有较大的光吸收系数,从而有助于提高TiO2的光催化活性,理论与实验基本吻合.

双晶型TiO_2薄膜的低温制备及表征

采用溶胶-凝胶法低温制备了具有锐钛矿、板钛矿双晶型的TiO2薄膜.分别利用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、UV-Vis透光率曲线和原子力显微镜(AFM)等手段对所得TiO2溶胶和薄膜进行了性能表征.采用光催化降解罗丹明B水溶液评价TiO2薄膜的光催化活性.结果发现,所得TiO2薄膜具有较高的透明度和光催化活性.同时,考察了溶胶回流温度对所制备TiO2薄膜性能的影响,发现升高溶胶回流温度可以完善薄膜的晶型,增大薄膜的粗糙度,从而提高薄膜的光催化活性.溶胶回流温度为100℃时所制备的TiO2薄膜具有最高的光催化活性.

直流反应磁控溅射法制备锐钛矿TiO_2薄膜

采用直流反应磁控溅射的方法,溅射高纯钛靶在玻璃衬底上制备了TiO2薄膜。用XRD测试了TiO2薄膜的结构,研究了工艺因素中衬底温度、溅射气压、氧氩气体流量比和退火温度对薄膜结构的影响。实验结果表明:衬底温度高于200℃、溅射气压不高于0.7 Pa、氧氩流量比为1/4、退火温度为650℃时,锐钛矿TiO2薄膜更容易结晶。

掺Pb锐钛矿型TiO_2晶胞几何和电子结构的第一原理计算

采用第一原理方法,计算了Pb掺杂锐钛矿型TiO2的晶胞几何结构和电子结构。由于Pb的原子半径大于Ti,掺Pb后晶胞体积明显增大;水平方向和顶点方向的Pb-O键键长比相应的Ti-O键键长增长。由于Pb与O原子的sp轨道杂化作用,与Pb近邻的O原子p电子态出现尖锐的峰,并使处于第一价带的p电子态的带宽由4.6eV增至7.3eV;同时O的p轨道产生空态,掺杂后系统的导带底由Pb的p轨道构成。Pb掺杂使得锐钛矿型TiO2的能隙大幅度减小,因此,可以通过掺杂Pb实现对于锐钛矿型TiO2的能带调制,从而改变TiO2的光催化性能。计算结果与实验趋势相符。

锐钛矿型TiO_2的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)框架下广义梯度近似平面波超软赝势法,计算了锐钛矿型TiO2的能带结构、态密度和光学性质。分析了锐钛矿型TiO2的复介电常数、复折射率、吸收系数、反射率和损失函数,计算结果与其他文献结果吻合较好。通过对比发现,由于锐钛矿型TiO2晶体结构的对称性,在(100)和(001)方向上具有明显的光学各向异性。

高能球磨锐钛矿型TiO_2晶型转变的研究

应用机械力化学原理,研究高能行星磨粉磨锐钛矿型TiO2引起晶型转变的过程,采用XRD、SEM、TEM、FT-IR技术对粉体进行表征,探讨了机械力化学引起晶型转变的机制.研究发现:在一定操作参数(行星磨公转转速300r/min)条件下,粉磨初期(5h)为无定形形成期,颗粒出现团聚现象,晶粒尺寸减小,晶格畸变,转变为无定形,并形成金红石型TiO2晶核;粉磨中期(5～15h)为晶粒长大期,金红石型TiO2晶粒长大;粉磨后期(15h以后)为动态平衡期,晶粒长大与粉磨引起的晶粒减小处于动态平衡.研究表明:行星磨粉磨锐钛矿型TiO2可使晶型转变为金红石型TiO2,团聚的二次颗粒尺寸为1μm左右,并由颗粒尺寸为20～40nm团聚组成.

FePc敏化锐钛矿型TiO_2的低温制备及性能研究

采用溶胶-凝胶法在低温（50～80℃）下制备得到铁酞菁（FePe）染料敏化的TiO2粉体。利用X射线衍射、红外光谱、光电子能谱、紫外-可见光漫反射光谱对光催化剂的晶相结构、吸收光谱特征进行了表征，结果表明，所制备的复合粉体中TiO2为锐钛矿型，且晶粒细小；FePe敏化的TiO2在可见光区域的吸收有所增强。光催化氧化实验表明，经FePe敏化的锐钛矿型TiO2粉体，在普通目光灯下对甲基橙具有良好的光催化活性。

锐钛矿TiO_2薄膜的制备及其紫外光电导性能研究

采用直流反应磁控溅射的方法, 溅射高纯钛靶在 ITO石英衬底上制备了 TiO2 薄膜。用Raman光谱、AFM和紫外 可见光分光光度计分别测试了 TiO2薄膜的结构、表面形貌和紫外 可见光吸收谱,研究了工艺因素中溅射气压、氧氩比和退火温度对薄膜结构的影响。采用C(胶)/TiO2/ITO三层结构研究了锐钛矿TiO2薄膜的紫外光响应。实验结果表明:较低的溅射气压、合适的氧氩比和较高的退火温度有利于锐钛矿 TiO2 薄膜的结晶。在 2 V 的偏压下,锐钛矿TiO2薄膜的紫外光响应上升弛豫时间约为3 s,稳定光电流可达到2.1 mA,对紫外光的灵敏性和稳定的光响应表明TiO 薄膜有可能成为一种新的紫外光探测器材料。

锐钛矿型TiO_2气凝胶的制备和光催化性能

采用乙醇超临界干燥直接制得锐钛矿型TiO_2气凝胶,研究乙醇超临界干燥和煅烧处理前后TiO_2晶体结构的变化,并分别研究HNO_3、C_2H_5OH和H_2O用量对凝胶时间和气凝胶催化性能的影响。采用X线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、紫外-可见(UV-Vis)漫反射和N2吸附-脱附表征气凝胶。结果表明:乙醇超临界干燥即可制得锐钛矿型TiO_2气凝胶,晶粒平均粒径约为10 nm,禁带宽度为3.06 eV,存在明显孔道结构,HNO_3用量4 m L、n(H_2O)/n(Ti(OC_4H_9)_4)=4、n(C_2H_5OH)/n(Ti(OC_4H_9)_4)=15时,凝胶时间50 min,气凝胶的比表面积、孔容和平均孔径分别为201.88 m^2/g、0.42 cm^3/g和19.11 nm,对甲基橙的催化降解速率常数约为1.38 h^(-1),高于商业TiO_2(P25)的催化降解速率常数(1.14 h^(-1))。

N-Al共掺杂锐钛矿型TiO_2电子结构的GGA+U方法计算

本文基于密度泛函理论(DFT)的GGA+U方法,应用Materials Studio 5.0软件包中的CASTEP程序模拟计算了Al掺杂锐钛矿型TiO2和N-Al共掺杂锐钛矿型TiO2的电子结构。计算结果表明:Al掺杂和N-Al共掺杂均能够降低TiO2的带隙值。Al掺杂是由于Al的3s和3p态使导带底端下移而导致TiO2的带隙变窄;而N-Al共掺杂由于在体系中引入了N2p态,使导带底端向能量更低的方向移动,比Al单独掺杂时具有更低的带隙值。该研究结果很好地解释了Al掺杂以及N-Al共掺杂诱使TiO2的导带底端下移,禁带宽度减小,导致光谱响应范围红移的内在原因。