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摘要

使用溶胶-凝胶法在单晶硅衬底上制备一批不同Zn ²⁺成分调节的TiO ₂薄膜, 观测Zn ²⁺和TiO ₂合金化过程中光学和光催化性能的变化. X射线衍射光谱仪用于观测在合金化过程中薄膜的晶体结构变化并追踪ZnTiO ₃化合物的形成. 扫描电子显微镜、原子力显微镜用于观测合金化过程中因TiO ₂晶格对Zn ²⁺溶解度有限而导致薄膜表面出现大量孔洞的现象. X射线光电子能谱和光学带隙用于观测Zn ²⁺与TiO ₂合金化过程中电子结构层面的变化. 最后, 通过降解亚甲基蓝(MB)溶液, 表明少量Zn ²⁺掺杂完全溶解在TiO ₂中, 并破坏TiO ₂结晶质量. 在Zn ²⁺的成分占比继续提高至15%的过程中, XPS峰形拟合结果验证了TiO ₂对Zn ²⁺的溶解度有限, 导致薄膜出现大量孔洞结构, 薄膜的活性比表面积得以提升, 同时Zn ²⁺可以有效地捕获光生e ^–/h ⁺. 为了继续观察Zn ²⁺浓度对TiO ₂的影响, 将Zn ²⁺的浓度提升至40%, 观察Zn ²⁺与TiO ₂合金化过程中的现象. 表明化合物ZnTiO ₃的出现可以充当e ^–/h ⁺的复合中心以及TiO ₂占比的大幅下降导致合金化之后的薄膜光催化效率逐渐下降.

关键词:

TiO₂/
Zn²⁺/
光催化/
带隙/
表面

Abstract

A batch of TiO ₂films with different Zn ²⁺compositions are prepared on a single crystal silicon substrate by using sol-gel method to observe the changes in optical and photocatalytic properties in the alloying process of Zn ²⁺and TiO ₂. X-ray diffractometer (XRD) is used to observe the changes in the crystal structures of the films in the alloying process and to track the formation of ZnTiO ₃compounds. Scanning electron microscope (SEM) and atomic force microscope (AFM) are used to observe the phenomena of a large number of holes on the surfaces of the films due to the limited solubility of the crystal lattice for Zn ²⁺in the alloying process. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and optical bandgap are used to observe the changes at a level of the electronic structure of the films in the alloying process of Zn ²⁺with TiO ₂. Finally, by degrading the methylene blue solution, it is shown that a small amount of Zn ²⁺doping is completely dissolved in TiO ₂, destroying the TiO ₂crystalline quality. As the compositional share of Zn ²⁺continues to increase to 15%, the limited solubility of TiO ₂for Zn ²⁺is verified in the XPS peak fitting, resulting in a large number of hole structures in the film, and the active specific surface area of the film is enhanced, while Zn ²⁺effectively traps the photogenerated e ^–/h ⁺. In order to continue to observe the effect of Zn ²⁺concentration on TiO ₂, we increase the concentration of Zn ²⁺to 40% and observe the phenomenon in the alloying process of Zn ²⁺with TiO ₂. It is shown that the appearance of the compound ZnTiO ₃can act as a complex center for e ^–/h ⁺and a significant decrease in the percentage of TiO ₂leads to a gradual decrease in the photocatalytic efficiency of the films after alloying.

Keywords:

作者及机构信息

1.
2.

通信作者:买买提热夏提·买买提,rxtmmt@xju.edu.cn

基金项目:新疆大学校级大学生创新训练计划(批准号: XJU-SRT-23114)资助的课题.

Authors and contacts

1.
2.

Corresponding author:Mamatrishat Mamat,rxtmmt@xju.edu.cn

Funds:Project supported by the Students Innovative-Research Training Program of Xinjiang University, China (Grant No. XJU-SRT-23114).

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施引文献

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Samples	(hkl)	FWHMβ/(°)	D/nm
TiO₂	(1 0 1)	0.177	8.384
3% Zn-TiO₂	(1 0 1)	0.161	9.217
5% Zn-TiO₂	(1 0 1)	0.197	7.533
10% Zn-TiO₂	(1 0 1)	0.180	8.244
15% Zn-TiO₂	(1 0 1)	0.259	5.730
20% Zn-TiO₂	(1 0 1)	0.152	9.762
40% Zn-TiO₂	(1 0 1)	0.227	6.537

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Samples	Roughness R_a/nm	Roughness R_MS/nm	Skewness R_Sk	Kurtosis R_Ku
TiO₂	3.515	4.359	–0.492	0.276
3%Zn-TiO₂	2.230	2.851	–0.077	0.089
15%Zn-TiO₂	5.590	6.990	–0.313	0.819
40%Zn-TiO₂	6.115	8.703	–1.079	3.318

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