TiO2納米線陣列的制備、改性及其光電化學(xué)制氫性能研究.pdf

1、TiO2尤其是陣列化的TiO2納米線陣列在太陽能轉(zhuǎn)換與利用領(lǐng)域表現(xiàn)突出，是一類極具開發(fā)前景的光催化材料。但是，TiO2有限的光吸收范圍和較低的光生電荷利用率仍是目前限制其工業(yè)化應(yīng)用的主要難題。本論文針對 TiO2光吸收范圍較窄和量子效率偏低的缺點，討論了不同制備條件對 TiO2納米線陣列尺寸形貌和光催化活性的影響，再進一步對形貌優(yōu)化后的TiO2納米線陣列進行了窄帶隙半導(dǎo)體復(fù)合、析氧催化劑表面修飾以及兩者聯(lián)用的手段進行改性，并研究了改性后

2、的復(fù)合光電極材料的光電化學(xué)性能及其作用機理，具體內(nèi)容包括如下四個方面：
　　一、采用水熱合成法，在含T i4+、鹽酸的前驅(qū)液中通過改變水熱反應(yīng)的參數(shù)（包括反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、Ti4+濃度和添加劑）制備出了各不同尺寸形貌的TiO2納米線陣列光電極，并考察了制備過程中的各個參數(shù)分別對樣品微觀形貌的影響，以及不同尺寸形貌對TiO2納米線陣列的光電化學(xué)制氫性能的影響。
　　二、利用物理氣相沉積法在 TiO2納米線陣列上包覆窄帶隙半導(dǎo)

3、體制備得到TiO2/CdS、TiO2/CdTe和TiO2/CdSTe核/殼納米線陣列復(fù)合光電極。利用掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、X射線衍射譜、拉曼光譜和紫外-可見光吸收光譜對光電極的形貌、晶體結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)進行了表征。電化學(xué)測試對電極的光電化學(xué)性能進行了重點研究，結(jié)果表明：TiO2/CdSTe和TiO2/CdS核/殼納米線陣列相比于純TiO2納米線陣列均表現(xiàn)出增強的光電化學(xué)性能，其中TiO2/CdSTe光電極表現(xiàn)出4.5 mA cm

4、-2的最高光電流密度，比純TiO2提升了近十倍。而CdTe由于其穩(wěn)定性較差不宜單獨作為光敏化劑與TiO2進行復(fù)合。
　　三、采用光輔助電沉積法將磷酸鈷(Co-Pi)析氧催化劑與 TiO2光催化劑相耦合來研究它們對光解水產(chǎn)氫的協(xié)同增強效應(yīng)。光電化學(xué)研究表明，Co-Pi的修飾對 TiO2的光電流產(chǎn)生了相當(dāng)大的增強作用，尤其是低偏壓區(qū)提升更為顯著。而且，實驗證明Co-Pi催化劑對TiO2電極的性能增強效應(yīng)在一個寬的pH范圍(1-14)內(nèi)

5、都能發(fā)生作用。機理研究認為，Co-Pi降低了水氧化反應(yīng)的活化能，使光生空穴更容易引起水的氧化反應(yīng)，從而降低了電子-空穴復(fù)合率。最后，研究還討論了大負載量的Co-Pi對TiO2光電流產(chǎn)生的負面抑制作用。
　　四、首次采取對TiO2納米線陣列進行CdS復(fù)合增強光吸收，同時使用Co-Pi催化劑來進行表面修飾的方法合成了一種TiO2/CdS/Co-Pi三元復(fù)合光電極。在非犧牲劑溶液中的光電化學(xué)測試表明，TiO2/CdS/Co-Pi相比Ti