一維TiO2納米陣列的優(yōu)化制備及其催化性能研究.pdf

1、一維納米二氧化鈦(TiO2)陣列作為一種非常獨特的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，因其高的穩(wěn)定性、低廉的價格、優(yōu)異的光、電學(xué)特性、環(huán)境友好及完美的幾何特征，在環(huán)境能源領(lǐng)域表現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用價值。因此對一維TiO2納米陣列在特定基底上的優(yōu)化制備、表面修飾改性處理、以及半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑，顯著提升其光電催化性能，成為當(dāng)前環(huán)境與能源領(lǐng)域研究的熱點。
　　本文采用水熱法在酸性條件下制備一維TiO2納米陣列，同時實現(xiàn)了一維納米棒向納米管陣列的原位轉(zhuǎn)變，探究了

2、水熱基底、時間、反應(yīng)物的濃度對其結(jié)構(gòu)和性能的影響。對所得到的一維納米陣列進行了半導(dǎo)體和貴金屬的修飾處理和復(fù)合結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑，顯著提升了其光電化學(xué)性能，并探討了其作為高效催化劑在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用。主要研究內(nèi)容如下:
　　1.研究了水熱基底對TiO2納米材料相貌和性能的影響。通過實驗發(fā)現(xiàn)沉積在FTO基底上的TiO2呈現(xiàn)均一高度有序的納米棒的形貌，沉積在Glass基底上的TiO2呈現(xiàn)分級的納米花形貌。以甲基橙為目標(biāo)降解物，對不同形貌的TiO2

3、結(jié)構(gòu)的催化性能進行了研究。結(jié)果表明，與TiO2納米花相比，TiO2納米棒表現(xiàn)出較為優(yōu)異的催化性能，90min紫外光照后降解效率高達96.1％。這種催化性能取決于TiO2納米棒大的比表面積和獨特的結(jié)構(gòu)性能。
　　2.通過控制水熱反應(yīng)時間為2.5h、5h、10h、15h，在透明的FTO基底上生長了不同形貌的TiO2納米分級陣列。當(dāng)反應(yīng)的時間為2.5h，樣品的形貌均一的高度取向的納米棒陣列;隨著反應(yīng)時間延長到5h，納米棒的頂端進一步的生

4、長出很多凸起的顆粒;反應(yīng)時間為10h，納米棒相互團聚形成納米堅果;最終反應(yīng)時間為15h，堅果狀的TiO2變?yōu)榉旨壍募{米花陣列。通過改變水熱反應(yīng)時間調(diào)控了TiO2納米結(jié)構(gòu)，為不同TiO2納米結(jié)構(gòu)的生長提供了理論和實驗基礎(chǔ)。X射線衍射譜和拉曼光譜表明不同水熱條件下合成的TiO2樣品均為純的金紅石相。通過對其光學(xué)性能的分析，我們得出樣品的平均吸收系數(shù)隨著反應(yīng)時間先從0.821減小到0.646，后從0.646增加到0.870。樣品的禁帶寬度同樣

5、先從3.063eV減小到2.982eV，后從2.982eV增加到3.015eV。
　　3.采用連續(xù)離子層沉積法將CdS納米片敏化在TiO2納米棒陣列上。與TiO2納米棒相比，CdS敏化處理增強了TiO2納米棒對可見光的吸收。同時因為CdS的敏化實現(xiàn)了電子空穴的有效的分離，顯著增強了TiO2納米棒陣列的光催化和光電化學(xué)性能。在不同次數(shù)CdS敏化TiO2納米棒的樣品中，敏化8次的樣品表現(xiàn)出較為優(yōu)異的性能，在可見光的條件下，光催化150

6、 min甲基橙的降解效率為42.96％，光生電流的強度為168.5μA/cm2，與TiO2納米棒的相比分別增強了92.4％和70.3％。
　　4.通過水熱法，在較低的溫度下(150℃)，將致密垂直的單晶TiO2納米棒陣列生長在FTO基底上，對TiO2納米棒進行水熱原位刻蝕處理得到了TiO2納米管陣列。通過簡單的氧化還原的方法將Ag納米顆粒敏化在得到的納米管和納米棒的表面上。結(jié)果表明納米管陣列具有較大的比表面積(116m2g-1)，

7、同時其多孔的結(jié)構(gòu)能夠吸附更多的Ag納米顆粒。光催化的測試表明，Ag敏化的TiO2納米管陣列在紫外可見光的作用下降解甲基橙，具有高效的降解效率(98.8％)。TiO2納米管陣列獨特的結(jié)構(gòu)以及Ag納米顆粒表面等離子體效應(yīng)的協(xié)同作用，增強了樣品的催化性能。同時對樣品的催化性能的重復(fù)性測試表明，Ag敏化的TiO2納米管陣列無明顯的性能衰減，催化劑的穩(wěn)定性好。綜合以上的研究結(jié)果，Ag敏化TiO2納米管陣列將會在降解有機污染物和太陽能電池等方面有著

8、理想的應(yīng)用前景。
　　5.TiO2/ZnO/Ag納米復(fù)合薄膜通過三步法沉積在FTO基底上。與純TiO2和TiO2/ZnO結(jié)構(gòu)相比，TiO2/ZnO/Ag獨特的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較為優(yōu)異的光學(xué)和催化性能。ZnO納米顆粒的協(xié)同作用使TiO2降解甲基橙的效率提高了35％。通過光化學(xué)沉積引入Ag量子點，使TiO2/ZnO催化效率提高了35％。在紫外光的照射下，TiO2/ZnO/Ag表現(xiàn)出高效的催化效率，30min可以完成所有的降解過程。更