溶劑熱法合成海膽型TiO2及性能研究.pdf

1、半導(dǎo)體二氧化鈦(TiO2)納米材料因高化學(xué)穩(wěn)定性、無毒、對(duì)環(huán)境友好性、耐酸堿性及寬的禁帶寬度等優(yōu)勢(shì)，在染料敏化太陽(yáng)能電池、鋰電池、光催化、防霧和自清潔等領(lǐng)域備受越來越多的關(guān)注。此外，納米材料的尺寸和維度也成為材料的制備與應(yīng)用考慮的關(guān)鍵因素。由一維TiO2納米結(jié)構(gòu)單元組裝成的具有特定尺寸和形貌的三維納米結(jié)構(gòu)，因其綜合了一維和三維材料的結(jié)構(gòu)特性，因而在染料敏化太陽(yáng)能電池和光催化等領(lǐng)域表現(xiàn)出新的優(yōu)越性能。所以，具有特定形貌的三維TiO2納米材

2、料的制備及應(yīng)用已然成為納米材料領(lǐng)域研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。本文采用溶劑熱方法在不同的溶劑體系中合成了不同形貌的三維TiO2納米材料，并對(duì)材料的光催化性能與光電性能進(jìn)行研究。主要的研究?jī)?nèi)容如下:
　　1.以鈦酸四丁酯和四氯化鈦?zhàn)鳛殁佋吹幕旌锨膀?qū)體，在三種不同的非極性溶劑與水組成的體系（正己烷-水、氯仿-水和正己烷-水）中，在無需添加任何添加劑和模板的條件下，采用溶劑熱法合成了具有由一維納米棒組裝而成具有不同形貌的三維TiO2納米材料。討

3、論溶劑的性質(zhì)及液-液界面的表面張力對(duì)自組裝成的材料的微觀結(jié)構(gòu)和形貌的影響機(jī)制。發(fā)現(xiàn)只有在環(huán)己烷-水體系中獲得了形貌完美的三維海膽型TiO2納米材料。分析了在上述三種不同溶劑體系中合成的三維TiO2納米材料的光催化性能，由于其特殊的維度尺寸和形貌，都能夠表現(xiàn)出對(duì)光的強(qiáng)的散射能力，同時(shí)又利于光生量子的運(yùn)輸，所以均比商業(yè)型的P25表現(xiàn)出更優(yōu)的光催化活性，不過，其中三維海膽型TiO2納米材料的光催化活性最高。
　　2.討論了在環(huán)己烷-水的

4、體系中，反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、各前驅(qū)體濃度、溶劑體積對(duì)三維TiO2納米材料的晶體結(jié)構(gòu)和形貌的影響，找出了合成由一維納米棒組裝成三維海膽型TiO2納米材料的最佳實(shí)驗(yàn)參數(shù):四氯化鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50 wt.％、鈦酸四丁酯的體積為5mL、環(huán)己烷體積為30mL、反應(yīng)時(shí)間為18小時(shí)和反應(yīng)溫度為150℃。并以時(shí)間為變量探討了一維納米棒單元組裝成三維海膽型TiO2微球的可能過程:納米顆粒聚集形成生長(zhǎng)中心——納米顆粒的吸附形成納米棒——自組裝——再生長(zhǎng);最

5、終討論了上述各實(shí)驗(yàn)因素的影響機(jī)制。
　　3.根據(jù)在不同溶劑體系中獲得的不同三維TiO2納米材料的光學(xué)性能分析表明，三維TiO2納米材料的幾何形貌對(duì)TiO2陽(yáng)電極光電性能起著關(guān)鍵性的影響。在環(huán)己烷-水體系中，通過改變溫度來控制一維納米棒組裝成的三維TiO2微球的形貌。其低維度的納米棒組裝成的三維海膽型TiO2微球具有最好的光電性能，其所組裝成的染料敏化太陽(yáng)能電池的光電性能參數(shù)是最高的:電流密度(JSC):20.5 mA/cm2，開路