復合型TiO2納米管陣列膜的構筑及光催化性能的研究.pdf

1、近20年來，納米半導體光催化技術引起了科學界和工業(yè)界的極大關注。在眾多的氧化物半導體光催化材料中，TiO2表現出在光照下的強氧化性、無毒和長期光學、化學穩(wěn)定性等在凈化環(huán)境方面的誘人應用前景。Ti基電化學陽極氧化法制備的TiO2納米管陣列膜具有獨特的高度有序結構，作為一種新型的光催化電極可表現出良好的力學特性、強的化學穩(wěn)定性、大的比表面積、高的量子效應、簡易的制備過程及可重復使用等特性，TiO2納米管陣列膜表現出比TiO2納米顆粒膜更優(yōu)異

2、的光催化性能，引起了人們極大研究興趣。然而，在TiO2中光生電子-空穴對的復合率高限制了其光催化效率的提高。此外，銳鈦礦型TiO2的禁帶寬度為3.2eV，只有波長λ＜387nm的太陽光才能使其激發(fā)產生光生電子-空穴對，太陽能利用率僅3-4％。研究者們一直在努力探索多種制備方法和改性技術，以期提高TiO2納米管陣列膜的光催化效率和對太陽光的利用率。
　　 本工作旨在通過電化學沉積法對TiO2納米管陣列膜進行改性，以期提高TiO2納

3、米管陣列膜的光催化效率，并擴展其可見光響應。一方面，分別通過Ag納米顆粒負載和CdS/Ag納米顆粒共負載，利用Schottky效應、電場輔助及Z型結構的優(yōu)勢，提高TiO2納米管陣列膜光生電子-空穴對的分離效率。另一方面，分別通過CdS納米顆粒耦合和等離子體型Ag納米顆粒負載，利用CdS窄禁帶及Ag的表面等離子體共振(Surface Plasma Resonance，簡稱SPR)效應，擴展TiO2的可見光光吸收和光電化學活性。利用SEM、

4、TEM、EDX、XRD、XPS、Raman、UV-vis漫反射譜、光致發(fā)光譜、光電流譜等手段對改性后的納米管陣列膜的表面形貌、組成成分、晶型結構、光吸收性能、光電化學活性進行表征，并通過對甲基橙或亞甲基藍的降解考察其光催化活性。主要研究進展如下：
　　 1．應用單向電流脈沖沉積法在TiO2納米管陣列膜表面成功地沉積了高度分散、負載量可控的Ag納米顆粒，獲得了Ag納米顆粒負載的TiO2納米管陣列膜。研究表明，在紫外光照射時下，Ti

5、O2納米管陣列膜負載Ag后光生電子-空穴對得到了有效的分離，光電流和入射單色光子-電子轉化效率(incident photo to current conversion efficiency，簡稱IPCE)顯著增大，Ag-TiO2納米管陣列膜的光催化活性比單純TiO2納米管陣列膜明顯提高；在Ag納米顆粒和電場輔助協同作用下，Ag-TiO2納米管陣列膜的光電催化活性進一步提高。
　　 2．通過調控電沉積液中Cd2+、S的濃度和S/

6、Cd比，實現了CdS納米顆粒在TiO2納米管陣列膜表面的室溫電沉積制備。CdS納米顆粒均勻地沉積在TiO2納米管內、外壁上和管底部。光電流和IPCE結果表明，CdS納米顆粒的耦合不僅提高了TiO2的光電轉換效率，而且光響應可拓展至可見光區(qū)，提高了太陽光的利用率。
　　 3．通過兩步電化學沉積法構筑了Z-型CdS-Ag-TiO2三元復合納米管陣列膜。光致發(fā)光的測試表明，Z-型CdS-Ag-TiO2三元復合納米管陣列膜的光生電荷分離

7、率高于CdS-TiO2和Ag-TiO2二元復合納米管陣列膜，也明顯高于純TiO2納米管陣列膜。光催化實驗表明，Z-型CdS-Ag-TiO2三元復合納米管陣列膜的光催化降解MB的活性高于CdS-TiO2和Ag-TiO2二元復合納米管陣列膜，而且比純TiO2納米管陣列膜提高了約1.7倍。
　　 4．應用換向電流脈沖沉積法在TiO2納米管陣列膜表面成功地沉積了高度分散、負載量可控、顆粒尺寸可控和沉積位點可控的Ag納米顆粒，獲得Ag納米