冷喷涂(P,Mo,N)-TiO2光催化涂层的研究

TiO2光催化剂在环境治理和能源方面有着广泛的应用前景。以往的研究中多采用悬浮体系来考察其光催化活性，既有分离、回收难又有二次污染的问题，制约了实际应用。冷喷涂是一种新兴的制备涂层技术，喷涂温度低，可以在基本不改变喷涂粉末性质的前提下制备出TiO2涂层。本项目采用冷喷涂技术在Al、Ti和不锈钢基体上制备阴阳离子三重掺杂的(P,N,Mo)-TiO2涂层；研究冷喷涂TiO2陶瓷涂层与基体、涂层颗粒间的结合机理；考察涂层在可见光下的光催化性能；研究粉末加热和基体强韧性对(P,N,Mo)-TiO2涂层沉积效率和结合力的影响，找出影响(P, N, Mo)-TiO2涂层光催化性能的主要因素和其作用规律。最终为高催化活性 (P, N, Mo)-TiO2涂层的应用提供理论和实验依据。

TiO2光催化剂在环境治理和能源方面有着广泛的应用前景。以往的研究中多采用悬浮体系来考察其光催化活性，既有分离、回收难又有二次污染的问题，制约了实际应用。冷喷涂是一种新兴的制备涂层技术，喷涂温度低，可以在基本不改变喷涂粉末性质的前提下制备出TiO2涂层。本项目采用冷喷涂技术分别在Al 、Ti和不锈钢三种基体上制备出阴阳离子三重掺杂的 (P, N, Mo)-TiO2涂层，并研究了它们在可见光下的光催化性能；通过改进喷涂参数可以在一定程度上改善涂层的沉积效率、结合力和光催化活性，然而，这种改善是有限的。为了进一步提高涂层质量，我们对冷喷涂设备进行改进——引入粉末加热器来得到沉积效率高、结合力更高的(P, N, Mo)-TiO2涂层。研究粉末加热和基体（Al、Ti和不锈钢）强韧性对涂层沉积性能和结合强度的影响；在此基础上，深入研究涂层在可见光下的光催化活性、涂层的物理、化学性能，并探索涂层的光催化活性与其物理、化学性能的内在联系，找出影响涂层光催化活性的主要因素。此外，还探索了(P, N, Mo)-TiO2陶瓷涂层的形成机制和涂层与基体的结合机理，最终为高催化活性 (P, N, Mo)-TiO2涂层的应用提供理论和实验依据。.研究结果表明，改变喷涂工艺参数可以在一定程度上改善涂层质量及其与基体的结合强度；引入粉末加热器可以分别使涂层的沉积效率和结合力提高1倍。不同基体由于强韧性存在差别，涂层的沉积效率及其与基体的结合强度也各异。其中，强度高基体（相同体积强度不锈钢>Ti>Al）的沉积效率及涂层与基体的结合强度都要低。光催化实验表明，不同基体上的(P, N, Mo)-TiO2涂层均在可见光下显示出较高的光催化活性，其效率比未掺杂的TiO2涂层要高出5倍。然而，不同基体对(P, N, Mo)-TiO2涂层在可见光下的光催化效率影响不大。影响涂层可见光催化活性的主要有涂层的晶型、比较面积和表面活性位的数量，而涂层的厚度和结合强度影响不大。此外，喷涂工艺及粉末加热装置的使用将影响涂层的晶型、致密度、比表面积、厚度及结合强度等。制备了涂层的透射样品，通过高分辨电镜观察涂层与基体结合界面、以及涂层内部的结合情况。研究结果表明，金属基体的热机械性能不同，涂层与基体的结合以及TiO2陶瓷颗粒内部的结合也各异，其具体的结合机制主要存在机械互锁和剪切失稳两种机制。