二氧化钛TiO2等离子体处理引入氧空位缺陷-plasma

二氧化钛因其无毒环境友好、氧化活性高、光电性能好以及制备工艺简单等优势，使其广泛应用于光电材料、催化材料和抗菌材料等方面。在光催化反应过程中，作为催化材料的二氧化钛只有获得大于其禁带宽度的能量，才能激发电子-空穴对，引发电荷的迁移和分离，一些激发电荷可以移动至光催化反应的反应界面参与光催化反应，而另一些激发电荷可能发生复合并消失，另外。半导体吸收的有效光越多，其表面产生的激发电荷就越多，光催化活性就越高。然而，普通的二氧化钛材料由于其电子-空穴复合速率过快、光子带隙宽等缺点极大地限制了其应用。TiO,的禁带宽度为3.0~3.2eV，仅能吸收紫外光区的能量，无法吸收可见光、红外光，太阳能利用率较低。此外，量子效率作为TiO,材料存在另外一个缺陷也极大地限制其应用。因此，当前对二氧化钛的材料研究的热点集中在改性TiO,材料以其量子效率和可见光响应性能。相关近期的研究发现，对二氧化钛材料进行掺杂改性以及缺陷引入能够明显降低电子-空穴的复合速率和禁带宽度，显著提高其光电性能。氧空位作为常见的晶体缺陷，可以调节二氧化钛的电子结构和表面性质，从而改善二氧化钛的光电性能和催化性能等而被广泛研究，二氧化钛中由于存在氧空位，使其电子能级变化，从而导致其光的吸收波长范围发生变法，致使二氧化钛表观导致颜色发生明显变化，富含氧空位的二氧化钛根据其氧化空位的含量呈现蓝色、灰色和黑色等颜色。

等离子体处理

目前用于二氧化钛改性的方法虽然有效,但是大多都依赖于使用高温、步骤复杂、加工周期长以及可重复性差。近年来,等离子体处理越来越多地用于改性光催化剂以增强其催化性能。等离子处理的明显优势包括:1)等离子处理是一个快速而简单的过程;2)等离子处理是一种低能耗工艺,不需要溶剂或产生化学废物;3)对于一系列表面修改,可以在单个处理环境中实现。等离子体处理可以有条件地分解为几个基本过程:首先,含能量的自由基攻击基底表面,然后,当能量从自由基转移到基底材料时发生一系列物理和化学反应,从而改变材料表面的物理和化学性质。

等离子体处理对Ti02表面元素影响的价态分析(XPS)

为了更深入地探究等离子体处理对样品表面状态的影响,本文对TiO2-0、TiO2-150和TiO2-250进行了XPS测试,元素的化学状态的改变可能对应着空位的存在。如图1(a)所示,等离子体处理前后的样品总谱无明显差异,等离子体的处理不会改变样品组分,光谱显示样品中含有Ti、O两种元素随后通过C1s轨道进行了电荷校准如图1(b)。如图1(c)所示,在未经过等离子体处理的样品中,O1s分裂出两个主要的特征峰分别为529.71eV和531.30eV。经过等离子体的处理后,TiO2-150和TiO2-250样品信号中的O1s的峰发生了向低能级偏移的现象,同时对应的特征峰分别为529.07eV、530.67eV和529.06eV、529.79eV。根据有关研究报道,两峰间距变小极能级偏移,均可能使由于O空位存在所致。如图1(d)所示,Ti2p3/2轨道和Ti2p1/2轨道在等离子体处理前处于458.46eV和464.12eV;经过等离子体的处理后,两者均向低能级发生了偏移,TiO2-150和TiO2-250样品的Ti2p3/2轨道和Ti2p1/2轨道均移动至457.84eV和463.50eV,能级偏移可能是由于Ti周围产生了O缺陷,导致Ti元素的价态发生了改变。三组样品的Ti2p3/2轨道和Ti2p1/2轨道两峰间距相等,说明Ti元素自身在等离子体处理前后较为稳定。XPS测试进一步表明,等离子体处理后的样品表面产生了O缺陷。

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

综上所述：等离子体处理法即是利用氢气、氮气等气体通过放电产生等离子体对二氧化钛表面进行还原从而制备富含氧空位的二氧化钛的方法,该方法工艺条件简单,不会产生废水、废气,更低碳节能,符合环保要求。