功能導(dǎo)向納米TiO-,2-及其復(fù)合體系的可控合成及性能.pdf

1、TiO2半導(dǎo)體納米功能材料由于獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、催化與化學(xué)特性，在光電子技術(shù)領(lǐng)域起著越來(lái)越重要的作用，因而被廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換、光致發(fā)光、光催化與納米電子學(xué)等方面。納米TiO2的合成、表征與改性已經(jīng)成為T(mén)iO2半導(dǎo)體功能材料光電化學(xué)與光催化的核心內(nèi)容，TiO2納米材料的功能化研究一直是其應(yīng)用基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。針對(duì)具有重要應(yīng)用背景的TiO2納米功能材料，進(jìn)行維度、尺寸、形貌與組分的綜合控制以及機(jī)理研究，通過(guò)不同的制備方法來(lái)獲取各

2、種功能導(dǎo)向的G納米材料具有重要意義?；诖?，我們展開(kāi)了TiO2納米功能材料的研究工作，通過(guò)溶膠-凝膠法、水熱法、陽(yáng)極氧化法以及模板法等不同的合成手段制備了不同形貌和功能的納米TiO2材料，研究了不同形貌TiO2納米材料(如納米顆粒、納米管、納米纖維及納米陣列薄膜)的可控合成及功能化改性影響。對(duì)上述目標(biāo)合成物通過(guò)X射線衍射(XRD)、透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)和紫外-可見(jiàn)漫反射光譜(UV-Vis)等手段進(jìn)行表征。采

3、用自制的光催化反應(yīng)系統(tǒng)對(duì)其光催化活性進(jìn)行了評(píng)價(jià)；組裝了TiO2染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)，采用1.5AM的Newport太陽(yáng)模擬光源測(cè)試其光電轉(zhuǎn)換性能。有關(guān)研究工作如下：
　　 制備了系列摻雜的TiO2納米顆粒、納米纖維及納米管，對(duì)功能摻雜TiO2納米材料的可控制備及性能進(jìn)行了深入研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，摻雜適量稀土RE(RE為Pr，La，Gd，Ho，Nd)能夠顯著提高納米TiO2的光催化活性，其催化活性與RE性質(zhì)、摻雜方式及摻雜量

4、有關(guān)，其中適量Gd摻雜樣品在自然光下具有更強(qiáng)的催化活性；采用水熱法制備了管徑約為5nm，壁厚為1nm的Gd3+摻雜及B3+摻雜的TiO2納米管，并對(duì)其微觀形貌、晶型結(jié)構(gòu)及光吸收性等進(jìn)行表征分析，同時(shí)研究了制備工藝中的各種影響因素；以碳酸鉀和二氧化鈦為原料，用兩步合成法，摻雜適量的Gd3+，制得摻雜的四鈦酸鉀纖維前驅(qū)體，在甘油溶劑中加熱回流合成銳鈦礦型的Gd3+摻雜TiO2納米纖維，纖維平均長(zhǎng)度為幾十微米，直徑為50nm左右，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明

5、，Gd3+摻雜的TiO2纖維具有較高的光催化活性，自然光下對(duì)甲基橙的降解率可達(dá)70％以上；用溶膠-凝膠法制備Gd/N雙元素共摻雜的納米TiO2復(fù)合光催化材料，自然光下甲基橙為目標(biāo)降解物，評(píng)價(jià)了Gd/N雙元素共摻雜納米TiO2的光催化活性，結(jié)果表明：Gd/N雙元素?fù)诫s樣品為銳鈦型結(jié)構(gòu)，顆粒平均粒徑為13nm左右，樣品在可見(jiàn)光范圍內(nèi)光響應(yīng)增強(qiáng)，Gd、N共摻雜具有協(xié)同效應(yīng)，比較了幾種不同的摻雜方式對(duì)Gd/N共摻雜納米TiO2的光催化活性的影響

6、，其中以尿素為氮摻雜源所得Gd/N共摻雜樣品有較高的光催化活性，其對(duì)甲基橙的降解率達(dá)92％。
　　 在陽(yáng)極氧化法制備TiO2納米管陣列實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)控制一定反應(yīng)條件在純鈦表面獲得了結(jié)構(gòu)規(guī)整有序的納米管陣列；在氧化過(guò)程中加入硝酸鋅，控制反應(yīng)條件，使納米管負(fù)載一定量Zn2+，考察了氧化電壓、溫度、時(shí)間、pH值、電解液濃度及Zn2+負(fù)載等對(duì)納米管的形貌和尺寸的影響。通過(guò)電化學(xué)工作站掃描納米管生長(zhǎng)過(guò)程中電流-時(shí)間曲線，對(duì)納米管的生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)

7、行量化監(jiān)控，研究其生長(zhǎng)機(jī)理；用XRD表征TiO2納米管陣列的晶型；SEM表征納米管陣列的形貌；交流阻抗(EIS)研究材料的光電性能。結(jié)果表明：在pH值為1，HF濃度為0.5wt％，電壓為20V，氧化溫度為20℃等條件下氧化2h，所得TiO2納米管陣列晶型為銳鈦型，管長(zhǎng)70～100nm、管壁厚約10nm，管徑分布均勻，無(wú)坍塌現(xiàn)象；交流阻抗(EIS)結(jié)果表明：Zn2+的載入減少了界面之間的阻抗，使得載流子的流動(dòng)更加迅速，有利于提高光電性能。

8、
　　 研究了PS模板法制備稀土摻雜TiO2基納米多孔陣列薄膜。通過(guò)控制反應(yīng)條件，如苯乙烯單體濃度、引發(fā)劑濃度以及表面活性劑濃度制備粒徑不同、大小均一的膠體顆粒以獲取具有一定孔隙結(jié)構(gòu)的模板，然后采用溶膠-凝膠工藝進(jìn)行組裝，獲得了稀土摻雜TiO2基納米多孔陣列薄膜，并對(duì)有序多孔TiO2薄膜結(jié)構(gòu)的影響因素進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，在制備過(guò)程中控制稀土摻雜濃度、占據(jù)位(晶格位、間隙位)以及TiO2前驅(qū)體的濃度可以獲得高功能有序多孔TiO2

9、薄膜。采用電化學(xué)分析測(cè)試系統(tǒng)對(duì)樣品進(jìn)行光電活性分析，分析了摻雜與TiO2多孔基質(zhì)相互作用的本質(zhì)因素，并用此薄膜材料組裝了染料敏化太陽(yáng)能電池，在模擬太陽(yáng)光下進(jìn)行了光電性能測(cè)試。結(jié)果表明：摻雜0.5％Gd3+的納米TiO2在紫外及可見(jiàn)光區(qū)的吸收均有所增強(qiáng)。光電性能測(cè)試結(jié)果表明，摻雜0.5％Gd3+的有序多孔TiO2薄膜電極的短路電流為0.618mA，開(kāi)路電壓為0.538V，均比純TiO2薄膜電極及有序多孔純TiO2薄膜電極有所提高，而0.5

10、％Gd3+、0.3％La3+共摻雜有序多孔TiO2薄膜電極由于Gd3+、La3+二者的協(xié)同作用，光電性能更優(yōu)，其短路電流為0.696mA，開(kāi)路電壓為0.539V。
　　 分別用水熱法和溶膠-凝膠法制備了Gd3+和Eu3+共摻雜納米TiO2/MWCNT(multi-walled carbon nanotube)復(fù)合光催化劑，用SEM、TEM、FL(光致熒光光譜儀)對(duì)光催化劑進(jìn)行表征，以甲基橙為目標(biāo)降解物對(duì)催化劑進(jìn)行活性評(píng)價(jià)。結(jié)果表

11、明：水熱法制得的復(fù)合光催化劑樣品中，TiO2顆?；揪鶆蚍植荚谔技{米管上，同時(shí)，其光催化活性也比溶膠-凝膠法制得的樣品高；Gd3+和Eu2+共摻雜能有效提高其光催化活性，當(dāng)Gd3+和Eu2+摻雜量為分別為0.1％和1.0％時(shí)，TiO2/MWCNT復(fù)合光催化劑具有較高的光催化活性。
　　 上述研究結(jié)果極有可能推進(jìn)TiO2光電性能的提升和突破，深入研究納米TiO2的制備工藝及其功能化改性，探討摻雜離子與基質(zhì)的作用機(jī)制，有望為探索納米