基于氫基鈦酸納米管的新型半導(dǎo)體復(fù)合技術(shù)及光催化應(yīng)用研究.pdf

1、低維無機(jī)納米材料的合成與應(yīng)用,成為近年納米科學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。本文系統(tǒng)研究了一維氫基鈦酸納米管的化學(xué)組份、微觀結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)規(guī)律、相轉(zhuǎn)變規(guī)律、形貌控制等性質(zhì)。 XPS光電子能譜被用以分析氫基鈦酸納米管中鈦、氧元素的化學(xué)狀態(tài),O-1s結(jié)合能曲線分峰擬合顯示了氧原子中主要有三種化學(xué)狀態(tài),即晶格氧、羥基氧和少量結(jié)合水氧原子。XPS靈敏度因子法被用以計(jì)算納米管中鈦氧原素比例(接近1:3),而所得納米管組成更接近于表達(dá)式H2Ti2O4(OH)2。文中

2、報(bào)道了NaOH溶劑對(duì)鈦酸納米管卷曲和形成的影響,通過調(diào)控 NaOH溶劑生長(zhǎng)納米管和納米片兩種形貌。文中探索了一種低溫結(jié)晶法使氫基鈦酸納米管在100℃結(jié)晶為光催化活性的銳鈦礦,繼而考察了結(jié)晶工藝對(duì)氫基鈦酸納米管結(jié)晶產(chǎn)物光催化活性的影響,并對(duì)光催化反應(yīng)速率進(jìn)行了一級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合。
　　過渡金屬元素是重多半導(dǎo)體和催化劑的組成元素。為了在氫基鈦酸納米管載體表面生長(zhǎng)異質(zhì)半導(dǎo)體或催化劑,合成路徑可以采取一種兩步法方案,先利用氫基鈦酸納米管將過渡

3、金屬離子吸附于管表面,再通過后續(xù)化學(xué)反應(yīng)將被吸附的組分轉(zhuǎn)換為所需的化合物,使異質(zhì)半導(dǎo)體或催化劑粒子生長(zhǎng)于納米管載體表面。然而難點(diǎn)在于,如何提高氫基鈦酸納米管對(duì)過渡金屬元素的吸附能力,并使其大量分散于納米管表面。文中研究了氫基納米管吸附不同過渡金屬離子時(shí),其吸附能力對(duì)溶液pH的依存關(guān)系。XPS深入分析了上述吸附反應(yīng),包括被吸附的金屬離子在氫基鈦酸納米管表面的化學(xué)狀態(tài),吸附反應(yīng)對(duì)鈦酸納米管表面Ti-2p結(jié)合能和O-1s結(jié)合能的影響等。XPS

4、分析表明,氫基鈦酸納米管吸附過渡金屬離子后,使納米管表面Ti-2p結(jié)合能正位移,并使O原子有新的成鍵。過渡金屬元素在氫基鈦酸納米管表面可能的吸附機(jī)理被提出。
　　半導(dǎo)體復(fù)合技術(shù)是光催化材料改性的主要手段之一。通過在納米管表面生長(zhǎng)異質(zhì)半導(dǎo)體粒子,以修飾半導(dǎo)體納米管,改善光譜響應(yīng)能力和光生載流子遷移效率,有利于制備活性更高的復(fù)合型半導(dǎo)體光催化劑。如何有效在半導(dǎo)體納米管表面生長(zhǎng)異質(zhì)半導(dǎo)體納米粒子成為研究熱門。本文借助于氫基鈦酸納米管對(duì)鎘

5、元素的吸附性能,將鎘元素分散于納米管,再通過在納米管表面的后續(xù)反應(yīng),在一維氫基鈦酸納米管多層管壁結(jié)構(gòu)上誘導(dǎo)生長(zhǎng)了CdS納米簇(小于5 nm),這些納米簇居于管壁并分布均勻密集,每只鈦酸納米管(100nm)沿長(zhǎng)軸方向在管壁上生長(zhǎng)著幾十個(gè)CdS半導(dǎo)體納米簇。文章考察了CdS納米簇在氫基鈦酸納米管表面的生長(zhǎng)分布狀態(tài),考察了該復(fù)合體系的相轉(zhuǎn)變、光催化活性和熱處理工藝對(duì)光催化活性的影響,以及進(jìn)行了一級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合等。CdS納米簇修飾使氫基鈦酸納米管

6、的銳鈦礦結(jié)晶產(chǎn)物的光催化活性提高3倍。
　　利用氫基鈦酸納米管表面對(duì)銀離子的吸附配位和釋放性能,合成出了不同生長(zhǎng)位置的AgBr納米粒子,包括直接生長(zhǎng)于氫基鈦酸納米管表面,或分布于納米管周圍空間。實(shí)驗(yàn)得到了一種梯度生長(zhǎng)和分布的AgBr納米粒子,在水相溶液中環(huán)繞于氫基鈦酸納米管周圍,由納米管表面近處到遠(yuǎn)處,呈放射狀分布和梯度粒徑變化。隨著AgBr生成位置遠(yuǎn)離氫基鈦酸納米管表面,其粒子尺寸逐漸降低(最小約5nm)?？梢姽獯呋钚詼y(cè)試顯示

7、,利用氫基鈦酸納米管表面化學(xué)合成的AgBr納米粒子具有優(yōu)異的活性。此外,利用 AgBr納米粒子晶籽的誘導(dǎo)效應(yīng),光化學(xué)還原溶液中游離銀離子,成功在AgBr粒子表面一側(cè)(一端)高度特異性生長(zhǎng)出唯一的一個(gè)Ag單元,不同于已往報(bào)道中無規(guī)則不可控的在半導(dǎo)體表面沉積金屬粒子,從而合成出啞鈴型金屬-半導(dǎo)體復(fù)合納米粒子。每個(gè)該粒子包含了一個(gè)半導(dǎo)體單元在粒子一端,相對(duì)另一端則是金屬單元,兩相之間都通過固相界面緊密連結(jié)。這種新穎結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了在粒子水平控制某組