基于二氧化鈦納米管陣列的新功能納米材料制備與應用研究.pdf

1、隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展,環(huán)境污染,能源短缺,人民生理健康問題日趨嚴重。本論文以有機污染物的快速篩查及去除為目標,以提高二氧化鈦納米管陣列的光/電催化活性為研究重點,開展了二氧化鈦基復合納米功能材料應用于生物傳感和有機污染物去除領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究。
　　 TiO2納米管陣列具有表面形貌均一、孔徑長度可調(diào)、高度取向、以及獨特的電學、光學特性,自2001年被首次陽極氧化法制備以來,引起極大的研究興趣。已有研究表明TiO2納米管陣列材料在光

2、催化及傳感領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。然而TiO2半導體材料禁帶寬度較高(銳鈦礦型Eg=3.2eV,金紅石型Eg=3.0eV),只對紫外光有吸收,限制了其對太陽光的有效利用。另外TiO2半導體材料導電率低,不能有效傳遞光生載流子,使得光生電子容易與光生空穴復合,降低了其光電轉(zhuǎn)化效率。本論文針對以上問題開展研究,通過對TiO2納米管陣列材料進行摻雜和修飾以提高對太陽光的利用率和光電轉(zhuǎn)化效率,開展了TiO2基復合納米功能材料的構(gòu)效關(guān)系,及在傳感

3、和有機污染物去除中的應用的研究。具體研究內(nèi)容如下:
　　 針對目前能源緊缺問題,我們開展了光解水制氫中提高光催化效率的研究以及TiO2納米管陣列的光敏化研究。TiO2半導體材料中存在大量的缺陷,光生電子-空穴復合損失在堿性溶液中較明顯。加入電子供體可以消耗光生空穴,降低空穴-電子的復合。我們研究了電子供體類型與催化效率的關(guān)系。在所研究的三種電子供體(丙酮、甲醇和乙醚)中,乙醚表現(xiàn)出最強的施電子能力。在3％的乙醚堿液中TiO2納米

4、管陣列材料的光電流密度增強了8.8倍。有機金屬配合物在可見光區(qū)有很高的吸收系數(shù),具有光敏化納米半導體材料作用。我們通過自組裝方式將有機金屬配合物M(bpy)2(FcphSO3)2(M=Cu2+,Cd2+,Zn2+)修飾于TiO2納米管陣列材料上,所得復合材料對可見光有很好的吸收。
　　 貴金屬Au、Pt的工作函比TiO2半導體的工作函高,光生電子從TiO2遷移到鄰近金屬納米顆粒上,導致在每個金屬納米顆粒與TiO2納米管接觸面區(qū)域

5、形成肖特基勢壘。肖特基勢壘起到了有效的“電子陷阱”作用,避免了光生電子與空穴的復合,從而提高電極材料的光電催化活性。同時貴金屬材料優(yōu)良的導電性能有利于電子傳導。我們采用電沉積技術(shù),成功地在TiO2納米管上修飾貴金屬(Au、Pt)納米顆粒;Au、Pt納米顆粒極大地促進了TiO2納米材料的光電催化活性,納米Au修飾的TiO2納米管對甲基橙(MO)和三硝基酚(TNP)的光電降解效果分別提高1.5和1.2倍;利用TiO2納米管陣列與貴金屬之間的

6、協(xié)同催化作用所構(gòu)建的葡萄糖生物傳感器具有良好的電催化活性,對0.1～1.8 mM范圍內(nèi)的葡萄糖濃度有線性響應,檢測下限為0.1mM。
　　 從能帶匹配原則出發(fā),選擇適當?shù)恼瓗О雽w材料與TiO2納米管陣列組成復合材料。當所選窄帶半導體材料的導帶更負于TiO2導帶時,光生電子較易從窄帶半導體的導帶轉(zhuǎn)移至TiO2導帶,同時光生空穴在窄帶半導體的價帶處聚集,形成空穴中心進一步增強氧化作用。因此,修飾窄帶半導體材料不僅可以提高復合材料對

7、可見光的吸收還可以促進光生載流子的分離,從而提高復合材料的光電性能?；诖?我們研究了二元或三元異質(zhì)窄帶半導體(CdS,CdSexTe1-x,ZnxCd1-xSe)/TiO2納米管復合材料的光電催化性能。CdS納米顆粒和貴金屬Pt修飾的TiO2納米管復合材料對大腸桿菌表現(xiàn)出較好的光電殺菌效果;以CdSexTe1-x(0=x=1)/TiO2納米管陣列為基底所構(gòu)建的無標記光電化學免疫傳感器,對持久性有機污染物五氯苯酚(PCP)表現(xiàn)超靈敏,高

8、選擇性響應。檢測下限1 pM。本工作為半導體材料在光電傳感領(lǐng)域的應用進行了有價值的探索。
　　 通過以上對基于TiO2納米管陣列復合納米材料的設計、開發(fā)與應用研究,發(fā)展了基于半導體材料光電效應的傳感分析技術(shù),所制新穎的無標記光電化學免疫傳感器開創(chuàng)了半導體材料在光電分析領(lǐng)域的應用;探索了多元異質(zhì)復合納米材料對環(huán)境致病菌的殺菌作用和對有機污染物的光電催化消除作用,為實現(xiàn)對環(huán)境污染物的鎖定和去除提供了新的思路;研究了新能源電極材料性能