【摘 要】
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随着人们对室外景观和室内采光等要求的提高,现代建筑通常使用大面积的玻璃窗或玻璃幕墙结构。由于夏季太阳的辐射强度大,现代建筑物的室内气温偏高,空调制冷造成的能耗过大。透明隔热材料在保证玻璃采光的同时可以提高其隔热性能,成为降低建筑物制冷能耗的重要手段。二氧化钛作为一类典型的n型半导体材料,以其优异的化学稳定性、绿色无毒和低成本而备受关注。二氧化钛禁带宽度大,对可见光不产生本征吸收,通过离子掺杂的手段
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随着人们对室外景观和室内采光等要求的提高,现代建筑通常使用大面积的玻璃窗或玻璃幕墙结构。由于夏季太阳的辐射强度大,现代建筑物的室内气温偏高,空调制冷造成的能耗过大。透明隔热材料在保证玻璃采光的同时可以提高其隔热性能,成为降低建筑物制冷能耗的重要手段。二氧化钛作为一类典型的n型半导体材料,以其优异的化学稳定性、绿色无毒和低成本而备受关注。二氧化钛禁带宽度大,对可见光不产生本征吸收,通过离子掺杂的手段对其进行改性,提高其结构中自由载流子的浓度,产生局部表面等离子体共振（LSPR）效应,从而使其对近红外光产生强烈的吸收,则有望开发出一种新型的透明隔热材料,在建筑节能领域具有广阔的应用前景。本论文采用溶剂热法制备出各种离子掺杂的纳米二氧化钛粉体,分别研究了阴离子（F-）掺杂、阴阳离子(F-/Nb5+、F-/Ta5+)共掺杂条件下二氧化钛的近红外阻隔性能。论文采用XRD、Raman、TEM及XPS等方法对离子掺杂纳米二氧化钛粉体的组成、形貌和结构进行了表征分析,采用紫外-可见-近红外分光光度计表征了离子掺杂纳米二氧化钛的光学性能,并通过隔热装置内部温度的变化评价了该粉体所制备薄膜的隔热性能,探究了其近红外阻隔性能提高的机理。主要工作包含以下几个方面:（1）通过溶剂热法制备氟掺杂二氧化钛纳米颗粒,探究了氟的掺杂量对二氧化钛组成、结构、光学性能和隔热性能的影响。研究发现通过溶剂热法合成的氟掺杂二氧化钛纳米颗粒为锐钛矿晶型,尺寸在4-9nm。与同条件下制备的纯二氧化钛相比,氟掺杂提高了结晶度,增大了颗粒尺寸,F-进入二氧化钛的晶格,在结构中引入了自由电子,激活了二氧化钛在近红外光区的等离子体共振吸收。随着氟钛摩尔比从0增大到0.5,纳米二氧化钛对近红外光的吸收先增大后减小,氟钛摩尔比等于0.3时,二氧化钛的近红外光吸收最强。由氟掺杂纳米二氧化钛粉体制备薄膜的可见光透过率在90.1%-90.7%之间,近红外光阻隔率在1.3%-43.2%之间。氟钛摩尔比的增大能在不显著减低可见光透过率的前提下,提高薄膜的近红外光阻隔率。氟钛摩尔比为0.3时,薄膜的近红外阻隔性能最强。（2）在氟钛摩尔比为0.3的条件下,进一步引入高价金属离子Nb5+对纳米二氧化钛进行共掺杂,研究了氟铌(F-/Nb5+)共掺杂对纳米二氧化钛近红外光阻隔性能的影响。结果表明氟铌共掺杂纳米二氧化钛为锐钛矿晶型,颗粒尺寸在4-10nm。XRD、Raman和TEM测试证明F-和Nb5+成功掺杂进入二氧化钛晶格中。随着铌钛摩尔比的增大,二氧化钛对近红外光的吸收先增大后减小。氟钛摩尔比为0.3、铌钛摩尔比为0.1的二氧化钛薄膜近红外光阻隔率可达到76.4%,但可见光透过率降为75.8%。（3）在氟钛摩尔比为0.3的条件下,研究了氟钽共掺杂对纳米二氧化钛近红外光阻隔性能的影响。研究发现氟钽共掺杂纳米二氧化钛为锐钛矿型,呈纺锤状,尺寸为5-10nm。掺杂后二氧化钛晶格常数变大、晶面间距增大,证明F-、Ta5+成功的掺入了二氧化钛晶格中。随着钽钛摩尔比0增大到0.3,纳米二氧化钛对近红外光的吸收呈先增大后减小的变化规律,相应的近红外光阻隔率呈先增大后减小的趋势。由氟钛摩尔比为0.3、钽钛摩尔比为0.1的纳米二氧化钛粉体制备的薄膜,可实现可见光透过率87.1%和近红外光阻隔率57.2%的透明隔热效果。与氟铌共掺的纳米二氧化钛薄膜的性能相比,其可见光透过率更高,近红外光阻隔率有所下降。（4）氟（F-）掺杂、氟铌(F-/Nb5+)共掺杂、氟钽(F-/Ta5+)共掺杂提高纳米二氧化钛的近红外阻隔性能的机理是:纯二氧化钛中自由电子浓度较低,不会在近红外光区出现LSPR效应,对近红外光没有阻隔性能。F-取代二氧化钛的晶格O2-后,由于电价的不平衡会引入一个自由电子,Nb5+、Ta5+取代二氧化钛晶格中的Ti4+也会各引入一个自由电子,使掺杂后二氧化钛结构中的自由电子浓度比纯二氧化钛显著增大,加强了其在近红外光区的LSPR效应,从而提高了其近红外阻隔性能。
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