納米結(jié)構(gòu)TiO2光電復(fù)合薄膜的協(xié)同效應(yīng).pdf

1、TiO2在光催化,光電催化、氣體傳感器、薄膜太陽能電池、鋰離子電池和電致變色等眾多領(lǐng)域有著廣泛的潛在應(yīng)用。TiO2的晶型、比表面積和形貌是決定其光催化效率、光電轉(zhuǎn)換效率等性能的關(guān)鍵因素。具有大比表面積、結(jié)晶良好的TiO2納米結(jié)構(gòu)的低溫制備具有重要的研究意義和實(shí)用價(jià)值。另一方面,將TiO2的光響應(yīng)波長(zhǎng)擴(kuò)展到可見光波段是提高太陽光照射下TiO2量子產(chǎn)率的重要手段。利用其他半導(dǎo)體與TiO2之間的能帶匹配,可以實(shí)現(xiàn)TiO2的可見光響應(yīng)。

2、　　 本文采用Ti金屬的低溫氧化技術(shù)合成了TiO2納米棒、片狀結(jié)構(gòu)、條帶結(jié)構(gòu)、單分散微球,以及多刻面球等微納結(jié)構(gòu),研究他們的生長(zhǎng)機(jī)理及光催化性能。采用溶膠-凝膠技術(shù)將TiO2納米顆粒與TiO2多孔基底或TiO2單晶納米棒陣列進(jìn)行復(fù)合,或?qū)iO2納米棒與納米管兩種有序結(jié)構(gòu)陣列進(jìn)行復(fù)合,制備TiO2“同質(zhì)”復(fù)合半導(dǎo)體并研究其光催化、光電性能。將TiO2納米管陣列與FeS2進(jìn)行復(fù)合以拓展其可見光響應(yīng)范圍;將TiO2納米棒和納米管陣列與Cd

3、S進(jìn)行復(fù)合以研究TiO2納米結(jié)構(gòu)本身對(duì)復(fù)合薄膜性能的影響。最后,對(duì)低溫沉積晶態(tài)TiO2薄膜光電催化反應(yīng)的影響因素進(jìn)行了詳細(xì)研究。論文主要內(nèi)容及總結(jié)如下:
　　 (1)TiO2納米棒、片狀結(jié)構(gòu)、條帶結(jié)構(gòu)、納米微球及多刻面球等新穎結(jié)構(gòu)TiO2的低溫合成及其生長(zhǎng)機(jī)理:
　　 基于鈦金屬直接氧化技術(shù),低溫溶液反應(yīng)成功制得一維單晶ZiO2納米棒,其生長(zhǎng)機(jī)理為“定向粘附”方式;將TiO2納米棒在NaOH溶液中不同溫度水熱處理獲得六方

4、片狀結(jié)構(gòu)和條帶狀二維結(jié)構(gòu)TiO2,其生長(zhǎng)過程與體系中層狀鈦酸鹽薄片的形核長(zhǎng)大密切相關(guān);將Ti和H2O2反應(yīng)得到的前驅(qū)液加入NaOH后水熱處理獲得三維TiO2單分散微球,為化學(xué)誘導(dǎo)的自組裝結(jié)果;利用HF對(duì)Ti基板的刻蝕和誘導(dǎo)作用,水熱反應(yīng)制得TiO2多刻面球,生長(zhǎng)機(jī)理為F調(diào)控的“柯肯達(dá)爾”擴(kuò)散。
　　 (2)多種TiO2納米結(jié)構(gòu)降解不同目標(biāo)降解物研究:
　　 以羅丹明B(RhB)、亞甲基藍(lán)(MB)和甲基橙(MO)三種典型染

5、料為目標(biāo)降解物,比較TiO2一維納米結(jié)構(gòu)和納米顆粒的光催化性能。所有TiO2薄膜在降解RhB和MB時(shí)均表現(xiàn)出“自然時(shí)效”現(xiàn)象;本文研究的TiO2薄膜作用下,MO是三種染料中最難光降解的,而且在降解MO時(shí)不存在時(shí)效現(xiàn)象。當(dāng)TiO2主要為銳鈦礦時(shí),MB降解比RhB快,金紅石則更適于光降解RhB。與納米顆粒(DP25及溶膠-凝膠TiO2)相比,一維納米結(jié)構(gòu)(納米棒和納米管陣列)具有顯著高的TOF值及光子效率。TiO2單分散球在600℃熱處理時(shí)

6、具有較商用DP25更高的降解RhB效率,而降解苯酚的效率明顯不如DP25。
　　 (3)TiO2“同質(zhì)”復(fù)合半導(dǎo)體及其協(xié)同效應(yīng):
　　 在金屬鈦基底上制備一層多孔銳鈦礦相TiO2,再與溶膠-凝膠銳鈦礦納米顆粒進(jìn)行復(fù)合。在紫外光照射下,復(fù)合薄膜的光電化學(xué)響應(yīng)最為顯著,為兩個(gè)組分薄膜光電流之和的兩倍。復(fù)合薄膜降解水中RhB的光催化活性也是兩個(gè)組分薄膜加和的兩倍,是鈦基底上涂覆相同質(zhì)量的溶膠-凝膠膜的光催化活性的3.5倍。這些

7、結(jié)果說明,不同禁帶寬度的銳鈦礦TiO2的恰當(dāng)組合也能夠提高電荷分離效率,從而提高光催化活性。
　　 通過在單晶金紅石納米棒陣列之間填充溶膠-凝膠銳鈦礦納米顆粒,制備具有不同形貌ZiO2的復(fù)合薄膜。紫外光下,復(fù)合薄膜的光電流密度比單一組分之和的兩倍還高。這是因?yàn)?銳鈦礦納米顆粒本身具有更好的光電化學(xué)性能,而單晶金紅石納米棒有著更高的電子傳輸速率。不同納米結(jié)構(gòu)TiO2之間的這種“形態(tài)復(fù)合”作用可以放大銳鈦礦和金紅石之間的“混晶效應(yīng)”

8、,從而獲得最佳的光電響應(yīng)。
　　 (4)TiO2“異質(zhì)”復(fù)合半導(dǎo)體及其協(xié)同效應(yīng):
　　 制備FeS2敏化的TiO2納米管陣列薄膜,復(fù)合薄膜具有良好的可見光響應(yīng)。UV-Vis譜表明,復(fù)合薄膜的光吸收范圍從原來的380 nm拓展到425 nm,光電流提高,開路電壓下降,可見光照射下分解RhB的速率比TiO2納米管陣列有顯著提高。
　　 通過電沉積方法獲得TiO2納米棒、納米管陣列與CdS的復(fù)合薄膜,研究TiO2基底本

9、身的納米結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合薄膜性能的影響。結(jié)果表明,由于消除了晶界的影響,TiO2單晶金紅石納米棒陣列比多晶納米管陣列對(duì)復(fù)合薄膜性能的提高更具優(yōu)勢(shì)。
　　 (5)低溫沉積晶態(tài)TiO2薄膜的光電催化:
　　 研究不同厚度、不同熱處理溫度對(duì)低溫沉積晶態(tài)TiO2薄膜光催化和光電催化降解水中RhB的情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn),0.4V的外加電壓可以有效提高光電催化降解效果,而且不論薄膜厚度大小及后續(xù)熱處理溫度高低,光電催化的降解效率顯著高于光催化。