納米結構TiO2光電復合薄膜的協(xié)同效應.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域有著廣泛的潛在應用。TiO2的晶型、比表面積和形貌是決定其光催化效率、光電轉換效率等性能的關鍵因素。具有大比表面積、結晶良好的TiO2納米結構的低溫制備具有重要的研究意義和實用價值。另一方面,將TiO2的光響應波長擴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。利用其他半導體與TiO2之間的能帶匹配,可以實現(xiàn)TiO2的可見光響應。

2、　　 本文采用Ti金屬的低溫氧化技術合成了TiO2納米棒、片狀結構、條帶結構、單分散微球,以及多刻面球等微納結構,研究他們的生長機理及光催化性能。采用溶膠-凝膠技術將TiO2納米顆粒與TiO2多孔基底或TiO2單晶納米棒陣列進行復合,或將TiO2納米棒與納米管兩種有序結構陣列進行復合,制備TiO2“同質”復合半導體并研究其光催化、光電性能。將TiO2納米管陣列與FeS2進行復合以拓展其可見光響應范圍;將TiO2納米棒和納米管陣列與Cd

3、S進行復合以研究TiO2納米結構本身對復合薄膜性能的影響。最后,對低溫沉積晶態(tài)TiO2薄膜光電催化反應的影響因素進行了詳細研究。論文主要內容及總結如下:
　　 (1)TiO2納米棒、片狀結構、條帶結構、納米微球及多刻面球等新穎結構TiO2的低溫合成及其生長機理:
　　 基于鈦金屬直接氧化技術,低溫溶液反應成功制得一維單晶ZiO2納米棒,其生長機理為“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、片狀結構和條帶狀二維結構TiO2,其生長過程與體系中層狀鈦酸鹽薄片的形核長大密切相關;將Ti和H2O2反應得到的前驅液加入NaOH后水熱處理獲得三維TiO2單分散微球,為化學誘導的自組裝結果;利用HF對Ti基板的刻蝕和誘導作用,水熱反應制得TiO2多刻面球,生長機理為F調控的“柯肯達爾”擴散。
　　 (2)多種TiO2納米結構降解不同目標降解物研究:
　　 以羅丹明B(RhB)、亞甲基藍(MB)和甲基橙(MO)三種典型染

5、料為目標降解物,比較TiO2一維納米結構和納米顆粒的光催化性能。所有TiO2薄膜在降解RhB和MB時均表現(xiàn)出“自然時效”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時不存在時效現(xiàn)象。當TiO2主要為銳鈦礦時,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,一維納米結構(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

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”復合半導體及其協(xié)同效應:
　　 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行復合。在紫外光照射下,復合薄膜的光電化學響應最為顯著,為兩個組分薄膜光電流之和的兩倍。復合薄膜降解水中RhB的光催化活性也是兩個組分薄膜加和的兩倍,是鈦基底上涂覆相同質量的溶膠-凝膠膜的光催化活性的3.5倍。這些

7、結果說明,不同禁帶寬度的銳鈦礦TiO2的恰當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的復合薄膜。紫外光下,復合薄膜的光電流密度比單一組分之和的兩倍還高。這是因為,銳鈦礦納米顆粒本身具有更好的光電化學性能,而單晶金紅石納米棒有著更高的電子傳輸速率。不同納米結構TiO2之間的這種“形態(tài)復合”作用可以放大銳鈦礦和金紅石之間的“混晶效應”

8、,從而獲得最佳的光電響應。
　　 (4)TiO2“異質”復合半導體及其協(xié)同效應:
　　 制備FeS2敏化的TiO2納米管陣列薄膜,復合薄膜具有良好的可見光響應。UV-Vis譜表明,復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的復合薄膜,研究TiO2基底本

9、身的納米結構對復合薄膜性能的影響。結果表明,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復合薄膜性能的提高更具優(yōu)勢。
　　 (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。