二氧化鈦納米管及其復(fù)合結(jié)構(gòu)的電沉積制備研究.pdf

1、二氧化鈦(TiO2)是一種重要的寬禁帶半導(dǎo)體材料，在光解水制氫、光催化降解有機(jī)物、染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。與TiO2薄膜相比，TiO2納米管陣列具有比表面積大，取向性好等特點(diǎn)，此類納米結(jié)構(gòu)有望提高TiO2的性能。而TiO2納米管的復(fù)合結(jié)構(gòu)(如核殼結(jié)構(gòu)等)除了具有TiO2納米結(jié)構(gòu)的性能之外還可能兼具新的功能特性。因此對(duì)TiO2納米管及其復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備和應(yīng)用進(jìn)行深入研究具有重要意義。
　　 本文采用電

2、沉積的方法，以多孔氧化鋁(AAO)為模板，通過(guò)一步或者兩步電沉積制備TiO2納米管及其各種復(fù)合結(jié)構(gòu)，研究了它們的生長(zhǎng)機(jī)制和在DSSC方面的應(yīng)用。主要內(nèi)容如下：
　　 1.電沉積制備TiO2納米管
　　 以AAO為模板，在含有TiF4的電解液中，通過(guò)電沉積的方法可以制備管壁均一的TiO2納米管。納米管外徑和長(zhǎng)度可以通過(guò)AAO模板的孔徑和厚度來(lái)控制，納米管壁厚可以通過(guò)改變沉積時(shí)間或者TiF4濃度來(lái)控制。在負(fù)電位作用下，TiO

3、2會(huì)在整個(gè)AAO模板孔洞內(nèi)壁上快速同步沉積，只需5分鐘就可以得到長(zhǎng)度等于模板孔洞長(zhǎng)度的完整納米管(約60μm)。與陽(yáng)極氧化得到的TiO2納米管相比，用電沉積制備的TiO2納米管頂端是開口的，而且底部與背面的Au膜直接相連，這種結(jié)構(gòu)與AAO模板非常類似，因此可以直接作為模板用來(lái)沉積其它材料得到TiO2納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)。
　　 2.利用TiO2納米管為模板制備各種復(fù)合結(jié)構(gòu)
　　 用電沉積得到的TiO2納米管為模板，通過(guò)二次電沉

4、積可以把各種金屬沉積到TiO2納米管中形成核殼結(jié)構(gòu)。通過(guò)SEM觀察我們發(fā)現(xiàn)用這種兩步電沉積法制備的TiO2納米管核殼結(jié)構(gòu)填充率很高(接近100％)，長(zhǎng)度山金屬的沉積時(shí)間宋決定，最長(zhǎng)可以達(dá)到AAO模板的厚度(約60μm)。改變沉積條件還可以得到金屬/TiO2的雙壁納米管結(jié)構(gòu)。通過(guò)比較AAO為模板和TiO2納米管為模板得到的產(chǎn)物，我們發(fā)現(xiàn)在同樣的沉積條件下，各種金屬在這兩個(gè)模板中的沉積是類似的，說(shuō)明這種兩步電沉積法是一個(gè)通用的制備TiO2納

5、米管復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法。其它可以用電沉積方法在AAO模板中形成納米管或者納米棒的材料也可以沉積到TiO2納米管中形成各種復(fù)合結(jié)構(gòu)。因此這種制備TiO2復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法是一種通用的方法。
　　 3.一步法制備TiO2納米管的復(fù)合結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)機(jī)制的研究
　　 在含有TiF4和NiCl2的電解液中，用一步電沉積也可以得到Ni/TiO2的核殼結(jié)構(gòu)，其中TiO2的壁厚和核殼結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度(既連續(xù)Ni納米棒長(zhǎng)度)可以分別通過(guò)改變電解液中TiF

6、4的濃度和沉積時(shí)間來(lái)控制。提高沉積電位還可以得到非連續(xù)的Ni納米顆粒鏈填充到TiO2納米管中的復(fù)合結(jié)構(gòu)。我們認(rèn)為這兩種復(fù)合結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)機(jī)制是：在沉積過(guò)程中TiF4水解形成TiO2是一個(gè)快速的過(guò)程，當(dāng)Ni離子還原形成金屬Ni時(shí)，TiO2納米管已經(jīng)形成，因此Ni可以沉積在TiO2納米管中，這是形成復(fù)合結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)；同時(shí)當(dāng)TiO2納米管中產(chǎn)生的H2來(lái)不及擴(kuò)散時(shí)會(huì)形成氣泡，Ni就會(huì)在TiO2納米管中形成非連續(xù)的納米顆粒鏈，而當(dāng)H2能及時(shí)從納米管中擴(kuò)