納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦的可控制備及其光催化和光電性能.pdf

1、在過去的幾十年里，二氧化鈦納米材料因其獨特的特性效應(yīng)和優(yōu)異性能而引起了人們極大的興趣。因為材料與外界物質(zhì)的相互反應(yīng)主要發(fā)生在表面上或界面處，所以這種納米尺寸所帶來的高比表面積是非常有利于以二氧化鈦為基材的器件。材料的性能很大程度上取決于二氧化鈦納米材料所具有的表面積結(jié)構(gòu)，不同結(jié)構(gòu)會使材料具有不同的屬性。研究人員付出巨大的努力一直致力于各種納米二氧化鈦的制備，包括納米顆粒，納米棒，納米線，納米纖維，納米片和納米管等等。近來，制備納米結(jié)構(gòu)化

2、的二氧化鈦材料因其在眾多領(lǐng)域特別是作為高效催化劑和低成本染料敏化太陽能電池光陽極中廣泛應(yīng)用而被視為具有巨大發(fā)展前途的研究方向。納米結(jié)構(gòu)化二氧化鈦材料不僅具有其組成單元二氧化鈦納米粒子的特性效應(yīng)，也具有一定有序的結(jié)構(gòu)體系，能夠為光生載流子提供直接的電通路，確?？焖俚碾娮觽鬟f速率，減少光催化反應(yīng)中發(fā)生的復(fù)合反應(yīng)和染料敏化太陽能電池中發(fā)生的暗反應(yīng)，因而提高了二氧化鈦納米材料的光催化活性和光電轉(zhuǎn)換效率。本課題通過幾種制備技術(shù)合成了具有不同形貌的

3、納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦材料，主要內(nèi)容如下:
　　 1.通過光誘導(dǎo)一種納米二氧化鈦分散體的聚合反應(yīng)制備了具有多級孔結(jié)構(gòu)的納米二氧化鈦薄膜。在納米二氧化鈦的膠體溶液中加入可光聚合的單體和光引發(fā)劑，形成了膠態(tài)的納米二氧化鈦分散體。將其涂覆于基板表面形成涂層，待涂層鋪展流平均勻后暴露于紫外光下，通過紫外光的輻照來引發(fā)聚合反應(yīng)。伴隨著光聚合反應(yīng)的進行和溶劑的蒸發(fā)，涂層中各成分的分散平衡被破壞進而在體系中發(fā)生相分離。最后對聚合反應(yīng)完成后已固化成型

4、的涂膜進行熱處理，除去有機聚合物和其他的一些殘留的溶劑，形成納米二氧化鈦多孔薄膜。在這項研究中，單體和光引發(fā)劑被直接加入納米二氧化鈦膠體溶液中。因而當體系成分組成一定時，形成納米二氧化鈦多孔薄膜的過程幾乎沒有受到其它因素如相對濕度，pH值，溫度等的各種影響。僅通過調(diào)整控制分散體的組成，就可以實現(xiàn)對納米二氧化鈦多孔薄膜形態(tài)的控制。充分利用光聚合技術(shù)的優(yōu)勢，本方法可為納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦薄膜的大面積制備提供積極的研究基礎(chǔ)。
　　 2.我

5、們提供了一種簡易無模板的直接制備一維二氧化鈦納米柱的方法。利用鈦醇前驅(qū)體溶液與酸之間發(fā)生原位酯化反應(yīng)生成的水來引發(fā)水解鈦前驅(qū)體的反應(yīng)，進而發(fā)生一系列的水解縮合反應(yīng)形成鈦氧鈦鍵，最終通過這種緩慢的反應(yīng)過程在涂覆于基材表面的納米二氧化鈦膜上制得了二氧化鈦納米柱結(jié)構(gòu)。這種構(gòu)筑形式新穎的二氧化鈦納米柱是由二氧化鈦納米顆粒堆積組成的。我們提出了一個包含三個步驟的堆積生長模式來解釋這種由二氧化鈦納米顆粒堆積而成的二氧化鈦納米柱的形成機理。這種新穎的

6、有序納米結(jié)構(gòu)具有更高的比表面積和更強的化學活性，這種組合結(jié)構(gòu)可為光生載流子與目標物質(zhì)之間提供了直接的光電子通道。
　　 3.以鈦溶膠和鈦前驅(qū)體分別作為殼溶液，聚乙烯吡咯烷酮溶液為核溶液，利用同軸靜電紡絲法制得了兩種不同類型的二氧化鈦/聚乙烯吡咯烷酮復(fù)合納米纖維。通過熱處理的后處理方法移除高分子聚乙烯吡咯烷酮和其它的有機物質(zhì)后，得到了兩種具有不同形貌特征的中空結(jié)晶二氧化鈦納米纖維。試驗中所用的同軸靜電紡絲頭是由尺寸不同的兩個同軸不

7、銹鋼針頭組成的，兩個不銹鋼針頭分別作為內(nèi)毛細管和外管。兩種不同的電紡絲溶液相互獨立地被輸送到同軸靜電紡絲頭，在高壓電場的作用下紡絲形成復(fù)合納米纖維，并通過后處理選擇性的去除復(fù)合纖維中的核結(jié)構(gòu)后形成中空的納米纖維。納米纖維無紡布的特點與這種特殊的中空納米結(jié)構(gòu)相結(jié)合，使得制備的結(jié)構(gòu)中空的二氧化鈦納米纖維具有優(yōu)于其他類型材料的高光催化活性。
　　 4.在經(jīng)典的乙二醇基電解液體系中添加有機弱酸—乙醇酸，采用電化學陽極氧化法制備了高度取向