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體結構，因其高的穩(wěn)定性、低廉的價格、優(yōu)異的光、電學特性、環(huán)境友好及完美的幾何特征，在環(huán)境能源領域表現(xiàn)出了巨大的應用價值。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、以及半導體復合結構的構筑，顯著提升其光電催化性能，成為當前環(huán)境與能源領域研究的熱點。
　　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變，探究了

2、水熱基底、時間、反應物的濃度對其結構和性能的影響。對所得到的一維納米陣列進行了半導體和貴金屬的修飾處理和復合結構的構筑，顯著提升了其光電化學性能，并探討了其作為高效催化劑在環(huán)境領域的應用。主要研究內容如下:
　　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。以甲基橙為目標降解物，對不同形貌的TiO2

3、結構的催化性能進行了研究。結果表明，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構性能。
　　2.通過控制水熱反應時間為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。當反應的時間為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;反應時間為10h，納米棒相互團聚形成納米堅果;最終反應時間為15h，堅果狀的TiO2變?yōu)榉旨壍募{米花陣列。通過改變水熱反應時間調控了TiO2納米結構，為不同TiO2納米結構的生長提供了理論和實驗基礎。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。通過對其光學性能的分析，我們得出樣品的平均吸收系數(shù)隨著反應時間先從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、同時其多孔的結構能夠吸附更多的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構以及Ag納米顆粒表面等離子體效應的協(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、理想的應用前景。
　　5.TiO2/ZnO/Ag納米復合薄膜通過三步法沉積在FTO基底上。與純TiO2和TiO2/ZnO結構相比，TiO2/ZnO/Ag獨特的納米復合結構表現(xiàn)出較為優(yōu)異的光學和催化性能。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