Реферат
ВВЕДЕНИЕ 3
1. Литературный обзор 5
1.1 Кристаллическая структура диоксида титана 5
1.2 Фотокаталитические свойства диоксида титана 6
1.1 Оптические свойства диоксида титана 7
1.3.1 Дефекты структуры TiO2 10
1.3.2 Фотолюминесценция 13
1.4 Импульсная лазерная абляция титана в различных средах 16
2. Экспериментальная часть 19
2.1 Синтез наночастиц 19
2.2 Методы исследования материалов 20
3. Результаты и обсуждения 22
3.1 Исследование порошков методами ПЭМ и БЭТ 22
3.2 Исследование структуры и фазового состава 24
3.3 Исследование оптических свойств 27
3.4 Исследование фотокаталитических свойств 32
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 35
АППРОБАЦИЯ РАБОТЫ 36
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 37
В настоящее время диоксид титана является одним из наиболее распространенных катализаторов, использующихся для фотокаталитической очистки воды и воздуха от таких загрязняющих веществ, как нефтепродукты, взвешенные твердые частицы, масла и жиры, фенолы, бензол и другие органические соединения, в том числе органические красители [1]. Использование TiO2 в данной сфере обусловлено рядом его достоинств, таких как высокая фотоактивность, фотоустойчивость, экологическая безопасность и доступность. Однако, существуют ограничения на его использование - это низкая квантовая эффективность, которая преодолевается путем получения наноразмерных порошков TiO2, и большая ширина запрещенной зоны, которая предполагает для его фотовозбуждения ультрафиолетовое излучение. Перспективной задачей является получение диоксида титана, сенсибилизированного к видимому диапазону излучения, избегая уменьшения его активности.
Для расширения спектрального диапазона поглощения TiO2 используются различные способы. Активно применяется допирование структуры TiO2 ионами различных элементов (N, C, Fe, и т. д.), развиваются способы создания композиционных материалов на основе TiO2, а также ведутся работы по созданию дефектов структуры, которые «сужают» ширину запрещенной зоны полупроводника и тем сенсибилизируют диоксид титана к фотонам более низкой энергии.
Популярным объектом исследования является темный диоксид титана, который обладает различными дефектами структуры и проявляет активность в видимой области спектра [2]. Его можно получать различными способами - восстановлением водородом, аргоном, азотом высокого либо низкого давления, электрохимическим восстановлением, сольвотермическим синтезом и т. д [3]. Перспективным методом получения темного диоксида титана в высокодефектном и высокодисперсном состоянии является метод импульсной лазерной абляции (ИЛА) [4]. Преимущество метода ИЛА заключается в том, что материальный состав мишени полностью отражается в составе получаемых наночастиц, что данный способ синтеза позволяет получить чистые соединения без каких-либо примесей. На фазовый состав, морфологию получаемых ИЛА частиц, можно влиять варьируя параметры как лазерного излучения, так и среды, в которой осуществляется процесс абляции.
Таким образом, целью данной работы является получение дефектного диоксида титана методом импульсной лазерной абляции и исследование его структуры, оптических и фотокаталитических свойств.
Для выполнения работы были поставлены следующие задачи:
1. Анализ литературных источников по способам получения, оптическим и фотокаталитическим свойствам дефектного диоксида титана.
2. Исследование морфологии и фазового состава при проведении постобработки лазерным излучением, а также при прокаливании в диапазоне от 250 до 800 °С.
3. Исследование спектров диффузного отражения, оценка ширины запрещенной зоны. Исследование фотолюминесцентных свойств.
4. Исследование фотокаталитических свойств полученных материалов на примере разложения красителя Родамина Б при облучении LED источником. 1. Литературный обзор
Глава 1 (стр. 5-18) содержит результаты интеллектуальной деятельности в научной сфере, изъята из выпускной квалификационной работы по решению правообладателя в соответствии с пунктом 3.2 «Регламента размещения текстов выпускных квалификационных работ в электронной библиотеке Научной библиотеки НИ ТГУ» Приказ № 413/ОД от 24.05.2016 г.
Руководитель ООП
2. Экспериментальная часть
Глава 2 (стр. 19-21) содержит результаты интеллектуальной деятельности в научной сфере, изъята из выпускной квалификационной работы по решению правообладателя в соответствии с пунктом 3.2 «Регламента размещения текстов выпускных квалификационных работ в электронной библиотеке Научной библиотеки НИ ТГУ» Приказ № 413/ОД от 24.05.2016 г.
Руководитель ООП
3. Результаты и обсуждение
Глава 3 (стр. 22-35) содержит результаты интеллектуальной деятельности в научной сфере, изъята из выпускной квалификационной работы по решению правообладателя в соответствии с пунктом 3.2 «Регламента размещения текстов выпускных квалификационных работ в электронной библиотеке Научной библиотеки НИ ТГУ» Приказ № 413/ОД от 24.05.2016 г.
Руководитель ООП
Таким образом, в ходе проделанной работы был проведен анализ литературных источников по способам получения, оптическим и фотокаталитическим свойствам дефектного диоксида титана.
Установлено, что при синтезе методом ИЛА образец преимущественно состоит из частиц размером 5-7 нм и некоторых крупных частиц размером до 80 нм, удельная площадь поверхности для образцов составляет 227 м2/г. При проведении постобработки крупных частиц становится меньше, а фракция мелких частиц возрастает, при этом возрастает значение площади удельной поверхности до 253 м2/г. С увеличением температуры отжига до 400° С не происходит резкого укрупнения частиц и снижения площади удельной поверхности. После термообработки при 600-800° С происходит значительное укрупнение частиц и резкое снижение площади удельной поверхности до 14 м2/г.
Структурные исследования показали, что начальные образцы являются рентгеноаморфными, а зачатки кристаллический фазы анатаза появляются в образце TiO2hv_250. После отжига при 400° С образцы состоят преимущественно из фазы анатаза (9096%). Дополнительное лазерное облучение приводит к более высокому содержанию фазы анатаза (наиболее фотокаталитически активной фазы TiO2), которая остается более стабильной при термообработке.
Образцы имеют поглощение в видимом диапазоне, рассчитанная ширина запрещенной зоны <3.2 эВ. При исследовании фотолюминесцентных свойств обнаружены различные дефектные состояния в структуре (автолокализованные экситонные состояния, вакансии по кислороду различного типа, Ti3+). При термообработке часть дефектов исчезает, при этом интенсивность люминесценции значительно снижается. Установлено, что для образцов, отожженных на 400° С, 600° С и 800° С возникает пик люминесценции в области 695 нм, соответствующий присутствию высокотемпературного упорядоченного состояния Ti3+. Этот пик более интенсивен для дополнительно облученных образцов.
При исследовании фотокаталитической активности было обнаружено, что исходные образцы и образцы, отожженные при 250° C, N-деэтилируют родамин Б, но полного разложения красителя не происходит. Для остальных образцов разложение родамина Б происходит полностью (для TiO2hv_800 за 5 часов). Было обнаружено, что скорость разложения красителя коррелирует с интенсивностью пика флуоресценции, который соответствует высокотемпературному упорядоченному состоянию Ti3+.
