双激发源电弧蒸发法制备掺杂TiO2薄膜及光催化性能研究(2)
2.2.4 X-射线光电子能谱（XPS）分析 10
2.2.5 紫外-可见光谱（UV-Vis）分析 10
2.2.6 原子力显微镜（AFM） 10
3 薄膜样品的结构与性能分析 11
3.1 二氧化钛薄膜的结构表征 11
3.2 氮掺杂二氧化钛薄膜的结构与性能分析 12
结论 18
致谢 19
参考文献 20
1 绪论
随着科技的迅速发展和现代化生产的进步，环境保护问题已经成为制约社会可持续发展的重要因素之一。因此解决生态环境问题迫在眉睫，这已经受到人们越来越多的关注。
在现代化工业发展过程中，生成众多对大气层、生态环境等有害的污染物。为了处理这些对大气和环境有害的污染物，政府和企业采取了一系列的方法，比如转移停办重污染企业、实行工业废水处理再排放等，但这些常用的方法都有其弊端。例如，所需时间过长、投资成本过大以及不能完全从根本上解决等，所以迫切需要一些成本少、起效快且有效可行的方法。
在国内外科研工作者的辛勤研究下，发现了二氧化钛的光催化性能，这一科学研究表明利用光催化分解有机污染物解决生态环境污染问题的方法是行之有效的。然而，光催化技术的核心是光催化剂材料，虽然己经证明许多半导体材料都具有光催化活性，但很多半导体光催化剂（如ZnO，WO3等）由于光催化活性低，或易被光腐蚀等原因很难在现实生活中得以应用。
半导体TiO2因其良好的化学稳定性、难溶于水、耐光和化学腐蚀，加之无毒，价格低廉，因而引起广泛的关注与研究，并被广泛的应用于各种领域[1~3]。但在使用半导体TiO2的过程中，发现了不易回收且易造成二次污染等问题，所以需要改进使用TiO2的方法。
本文主要通过光催化分解甲基橙染料来探究所制备的N掺杂TiO2薄膜的光催化性能。
1.1 二氧化钛的晶型
TiO2在自然界中主要存在三种晶型：锐钛矿型（Anatase）、金红石型（Rutile）和板钛矿型（Brookite）。其中板钛矿型TiO2在自然界中很稀有，属斜方晶系，是不稳定的晶型，因此工业价值较小。目前用作光催化剂的TiO2主要是两种晶型——锐钛矿型和金红石型,其中锐钛矿型的催化活性较高，但高温下晶型会发生转变。而金红石型TiO2是最稳定的晶型结构形式，具有较好的晶化态，缺陷少，可以进行一些实验所需的必要操作（如高温灼烧等），并且保持其晶型稳定性。然而他们较大的带隙宽度（3.0～3.2eV）制约其对太阳光的有效利用，催化性能受到一定影响[2, 4]。
1.2 二氧化钛薄膜的光致特性及光催化机理阐释
1.2.1 二氧化钛薄膜的光致特性
二氧化钛薄膜材料受光激发时主要产生三种光致特性：光催化性、光电化学特性和超亲水性，这些特殊性质（尤其是薄膜的光催化性能）使纳米二氧化钛薄膜材料具有广阔的应用前景。通过研究发现，二氧化钛薄膜的三种光致特性均与其半导体结构的能带结构有关，即受到光照时，价带上的电子受激发到导带上，从而实现能量的转移与利用。本文主要研究薄膜的光催化性能。
1.2.2 光催化机理阐释
TiO2的能带结构由充满电子的低能价带（VB）和空的高能导带（CB）构成，当被能量大于或等于带隙能的光照射时，价带上的电子将被激发到导带，同时在价带上形成相应的带正电的空穴，即产生了激发态的电子-空穴对。
激发态的电子-空穴对的除了部分会在本体再结合外，他们还可以迁移到催化剂表面与吸附的溶解氧或水发生自由基反应。空穴有很强的得电子能力，可夺取吸附的有机物表面的负电荷或溶液中的游离带电离子，使原本电中性的物质失去电子而氧化，而电子则会被表面吸附的电子捕获体捕获，形成超氧自由基能活性物种。这个过程正是光催化反应的必要条件，也是让光催化得以实现的主要机理[5, 6]。可以用如下的反应方程式来表示这一系列的反应过程:
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