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随着工业化进程日益加快和人们生活水平不断提高,由各种染料废水引起的水污染日益成为影响人类持续发展的一个全球性问题。金属氧化物光催化法由于氧化效率较高,目前被公认为是一种有效的处理难降解有机物的方法。在各种金属氧化物中,二氧化钛(Ti O2)因具有化学和生物惰性,光催化稳定性,价格低廉,对环境影响较小的特点而被用于降解各种染料废水。采用微等离子体氧化法在钛基体上制备原位生长Ti O2薄膜。筛选适合原位生长Ti O2薄膜电解液体系,以罗丹明B为降解目标物质,研究KH2PO4、H2SO4、Na H2PO4、Na2SO4、K2CO3、KOH和Na3PO4等电解液体系对Ti O2薄膜成膜性质和光催化性能的影响规律。研究微等离子体体氧化法反应电压、反应电流、反应时间以及电解液浓度等工艺参数对所得原位生长Ti O2薄膜光催化效能的影响规律,采用扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)和X射线电子能谱(XPS)对Ti O2薄膜微观形态、晶相组成、元素组成进行分析,优化微等离子体氧化法制备Ti O2薄膜工艺参数。为提高所得薄膜光催化性能,向电解液分别加入Co Cl2、Co(NO3)2和Cd Cl2等无机盐,制备Co2+和Cd2+离子掺杂原位生长Ti O2薄膜,探讨金属离子掺杂对所得薄膜微观形态、晶相组成、元素组成以及光催化效能的影响规律,揭示光催化反应机理。研究结果表明,与Na H2PO4、Na2SO4、K2CO3、KOH和Na3PO4等电解液相比,KH2PO4和H2SO4作为电解液能使钛基体上原位生长一层Ti O2薄膜,膜层均匀并且光催化效率较高。但H2SO4电解液制备Ti O2薄膜时间长于KH2PO4作为电解液成膜时间,由于强酸电解液对环境污染较大,因而本文采用KH2PO4作为电解液体系制备Ti O2薄膜。以KH2PO4为电解液体系,经过工艺参数筛选,当电压为360V、电流0.5A、电解质浓度为0.1mol/L、反应时间为10min,所得Ti O2薄膜光催化性能较好。SEM照片显示所得Ti O2薄膜具有火山口形貌特征,呈现多孔状,孔隙和孔径分布均匀,孔径尺寸为200-700nm。XRD测得微等离子体氧化制备的原位生长Ti O2薄膜晶相由锐钛矿、金红石型Ti O2以及钛组成。通过XPS测得原位生长Ti O2薄膜有明显的O1s、Ti2p吸收峰,证明微等离子体氧化在Ti基体表面形成Ti O2薄膜。紫外光照射下光催化90min,Ti O2薄膜对罗丹明B的降解率能达到43%。掺杂Co2+和Cd2+离子后,所得薄膜孔隙密度明显增加,孔径尺寸更加均匀,为100-500nm。晶相组成研究结果表明,掺杂Co2+和Cd2+离子对所得Ti O2薄膜晶相组成影响较小,仍由锐钛矿、金红石型Ti O2以及钛组成。XPS谱图显示,掺杂后谱图中出现了明显的Co2p、Cd3d吸收峰,说明Co2+和Cd2+离子已经进入到Ti O2晶格中。掺杂Co2+和Cd2+离子后,Ti O2薄膜对罗丹明B的降解率分别提高了17.7%、19.7%、12.07%。通过SEM、AFM、XRD、XPS测试结果分析,掺杂金属离子后Ti O2薄膜光催化性能的提高不是由于晶相组成引起的,而是由于微观形貌变化导致的,掺杂Co2+和Cd2+离子可使Ti O2薄膜孔隙密度明显增加,孔径尺寸更加均匀,从而增加了所得薄膜的比表面积,加大了Ti O2薄膜与降解目标物的反应几率,致使光催化效能得到明显改善。