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二氧化鈦因其無毒環(huán)境友好、氧化活性高、光電性能好以及制備工藝簡單等優(yōu)勢，使其廣泛應(yīng)用于光電材料、催化材料和抗菌材料等方面。在光催化反應(yīng)過程中，作為催化材料的二氧化鈦只有獲得大于其禁帶寬度的能量，才能激發(fā)電子-空穴對，引發(fā)電荷的遷移和分離，一些激發(fā)電荷可以移動(dòng)至光催化反應(yīng)的反應(yīng)界面參與光催化反應(yīng)，而另一些激發(fā)電荷可能發(fā)生復(fù)合并消失，另外。半導(dǎo)體吸收的有效光越多，其表面產(chǎn)生的激發(fā)電荷就越多，光催化活性就越高。然而，普通的二氧化鈦材料由于其電子-空穴復(fù)合速率過快、光子帶隙寬等缺點(diǎn)極大地限制了其應(yīng)用。TiO,的禁帶寬度為3.0~3.2eV，僅能吸收紫外光區(qū)的能量，無法吸收可見光、紅外光，太陽能利用率較低。此外，量子效率作為TiO,材料存在另外一個(gè)缺陷也極大地限制其應(yīng)用。因此，當(dāng)前對二氧化鈦的材料研究的熱點(diǎn)集中在改性TiO,材料以其量子效率和可見光響應(yīng)性能。相關(guān)近期的研究發(fā)現(xiàn)，對二氧化鈦材料進(jìn)行摻雜改性以及缺陷引入能夠明顯降低電子-空穴的復(fù)合速率和禁帶寬度，顯著提高其光電性能。氧空位作為常見的晶體缺陷，可以調(diào)節(jié)二氧化鈦的電子結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)，從而改善二氧化鈦的光電性能和催化性能等而被廣泛研究，二氧化鈦中由于存在氧空位，使其電子能級變化，從而導(dǎo)致其光的吸收波長范圍發(fā)生變法，致使二氧化鈦表觀導(dǎo)致顏色發(fā)生明顯變化，富含氧空位的二氧化鈦根據(jù)其氧化空位的含量呈現(xiàn)藍(lán)色、灰色和黑色等顏色。

等離子體處理

目前用于二氧化鈦改性的方法雖然有效,但是大多都依賴于使用高溫、步驟復(fù)雜、加工周期長以及可重復(fù)性差。近年來,等離子體處理越來越多地用于改性光催化劑以增強(qiáng)其催化性能。等離子處理的明顯優(yōu)勢包括:1)等離子處理是一個(gè)快速而簡單的過程;2)等離子處理是一種低能耗工藝,不需要溶劑或產(chǎn)生化學(xué)廢物;3)對于一系列表面修改,可以在單個(gè)處理環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。等離子體處理可以有條件地分解為幾個(gè)基本過程:首先,含能量的自由基攻擊基底表面,然后,當(dāng)能量從自由基轉(zhuǎn)移到基底材料時(shí)發(fā)生一系列物理和化學(xué)反應(yīng),從而改變材料表面的物理和化學(xué)性質(zhì)。

等離子體處理對Ti02表面元素影響的價(jià)態(tài)分析(XPS)

為了更深入地探究等離子體處理對樣品表面狀態(tài)的影響,本文對TiO2-0、TiO2-150和TiO2-250進(jìn)行了XPS測試,元素的化學(xué)狀態(tài)的改變可能對應(yīng)著空位的存在。如圖1(a)所示,等離子體處理前后的樣品總譜無明顯差異,等離子體的處理不會(huì)改變樣品組分,光譜顯示樣品中含有Ti、O兩種元素隨后通過C1s軌道進(jìn)行了電荷校準(zhǔn)如圖1(b)。如圖1(c)所示,在未經(jīng)過等離子體處理的樣品中,O1s分裂出兩個(gè)主要的特征峰分別為529.71eV和531.30eV。經(jīng)過等離子體的處理后,TiO2-150和TiO2-250樣品信號中的O1s的峰發(fā)生了向低能級偏移的現(xiàn)象,同時(shí)對應(yīng)的特征峰分別為529.07eV、530.67eV和529.06eV、529.79eV。根據(jù)有關(guān)研究報(bào)道,兩峰間距變小極能級偏移,均可能使由于O空位存在所致。如圖1(d)所示,Ti2p3/2軌道和Ti2p1/2軌道在等離子體處理前處于458.46eV和464.12eV;經(jīng)過等離子體的處理后,兩者均向低能級發(fā)生了偏移,TiO2-150和TiO2-250樣品的Ti2p3/2軌道和Ti2p1/2軌道均移動(dòng)至457.84eV和463.50eV,能級偏移可能是由于Ti周圍產(chǎn)生了O缺陷,導(dǎo)致Ti元素的價(jià)態(tài)發(fā)生了改變。三組樣品的Ti2p3/2軌道和Ti2p1/2軌道兩峰間距相等,說明Ti元素自身在等離子體處理前后較為穩(wěn)定。XPS測試進(jìn)一步表明,等離子體處理后的樣品表面產(chǎn)生了O缺陷。

圖1 TiO2-0、TiO2-1 50和TiO2-250的XPS譜圖:(a)全譜;(b)C 1 s;(c)O 1 s;(d)Ti 2p

綜上所述：等離子體處理法即是利用氫氣、氮?dú)獾葰怏w通過放電產(chǎn)生等離子體對二氧化鈦表面進(jìn)行還原從而制備富含氧空位的二氧化鈦的方法,該方法工藝條件簡單,不會(huì)產(chǎn)生廢水、廢氣,更低碳節(jié)能,符合環(huán)保要求。