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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,材料存在另外一個缺陷也極大地限制其應(yīng)用。因此，當前對二氧化鈦的材料研究的熱點集中在改性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,可以在單個處理環(huán)境中實現(xiàn)。等離子體處理可以有條件地分解為幾個基本過程:首先,含能量的自由基攻擊基底表面,然后,當能量從自由基轉(zhuǎn)移到基底材料時發(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軌道進行了電荷校準如圖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、氮氣等氣體通過放電產(chǎn)生等離子體對二氧化鈦表面進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,不會產(chǎn)生廢水、廢氣,更低碳節(jié)能,符合環(huán)保要求。