復(fù)合型TiO2納米管陣列膜的構(gòu)筑及光催化性能的研究.pdf

1、近20年來(lái)，納米半導(dǎo)體光催化技術(shù)引起了科學(xué)界和工業(yè)界的極大關(guān)注。在眾多的氧化物半導(dǎo)體光催化材料中，TiO2表現(xiàn)出在光照下的強(qiáng)氧化性、無(wú)毒和長(zhǎng)期光學(xué)、化學(xué)穩(wěn)定性等在凈化環(huán)境方面的誘人應(yīng)用前景。Ti基電化學(xué)陽(yáng)極氧化法制備的TiO2納米管陣列膜具有獨(dú)特的高度有序結(jié)構(gòu)，作為一種新型的光催化電極可表現(xiàn)出良好的力學(xué)特性、強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性、大的比表面積、高的量子效應(yīng)、簡(jiǎn)易的制備過(guò)程及可重復(fù)使用等特性，TiO2納米管陣列膜表現(xiàn)出比TiO2納米顆粒膜更優(yōu)異

2、的光催化性能，引起了人們極大研究興趣。然而，在TiO2中光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合率高限制了其光催化效率的提高。此外，銳鈦礦型TiO2的禁帶寬度為3.2eV，只有波長(zhǎng)λ＜387nm的太陽(yáng)光才能使其激發(fā)產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，太陽(yáng)能利用率僅3-4％。研究者們一直在努力探索多種制備方法和改性技術(shù)，以期提高TiO2納米管陣列膜的光催化效率和對(duì)太陽(yáng)光的利用率。
　　 本工作旨在通過(guò)電化學(xué)沉積法對(duì)TiO2納米管陣列膜進(jìn)行改性，以期提高TiO2納

3、米管陣列膜的光催化效率，并擴(kuò)展其可見(jiàn)光響應(yīng)。一方面，分別通過(guò)Ag納米顆粒負(fù)載和CdS/Ag納米顆粒共負(fù)載，利用Schottky效應(yīng)、電場(chǎng)輔助及Z型結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，提高TiO2納米管陣列膜光生電子-空穴對(duì)的分離效率。另一方面，分別通過(guò)CdS納米顆粒耦合和等離子體型Ag納米顆粒負(fù)載，利用CdS窄禁帶及Ag的表面等離子體共振(Surface Plasma Resonance，簡(jiǎn)稱SPR)效應(yīng)，擴(kuò)展TiO2的可見(jiàn)光光吸收和光電化學(xué)活性。利用SEM、

4、TEM、EDX、XRD、XPS、Raman、UV-vis漫反射譜、光致發(fā)光譜、光電流譜等手段對(duì)改性后的納米管陣列膜的表面形貌、組成成分、晶型結(jié)構(gòu)、光吸收性能、光電化學(xué)活性進(jìn)行表征，并通過(guò)對(duì)甲基橙或亞甲基藍(lán)的降解考察其光催化活性。主要研究進(jìn)展如下：
　　 1．應(yīng)用單向電流脈沖沉積法在TiO2納米管陣列膜表面成功地沉積了高度分散、負(fù)載量可控的Ag納米顆粒，獲得了Ag納米顆粒負(fù)載的TiO2納米管陣列膜。研究表明，在紫外光照射時(shí)下，Ti

5、O2納米管陣列膜負(fù)載Ag后光生電子-空穴對(duì)得到了有效的分離，光電流和入射單色光子-電子轉(zhuǎn)化效率(incident photo to current conversion efficiency，簡(jiǎn)稱IPCE)顯著增大，Ag-TiO2納米管陣列膜的光催化活性比單純TiO2納米管陣列膜明顯提高；在Ag納米顆粒和電場(chǎng)輔助協(xié)同作用下，Ag-TiO2納米管陣列膜的光電催化活性進(jìn)一步提高。
　　 2．通過(guò)調(diào)控電沉積液中Cd2+、S的濃度和S/

6、Cd比，實(shí)現(xiàn)了CdS納米顆粒在TiO2納米管陣列膜表面的室溫電沉積制備。CdS納米顆粒均勻地沉積在TiO2納米管內(nèi)、外壁上和管底部。光電流和IPCE結(jié)果表明，CdS納米顆粒的耦合不僅提高了TiO2的光電轉(zhuǎn)換效率，而且光響應(yīng)可拓展至可見(jiàn)光區(qū)，提高了太陽(yáng)光的利用率。
　　 3．通過(guò)兩步電化學(xué)沉積法構(gòu)筑了Z-型CdS-Ag-TiO2三元復(fù)合納米管陣列膜。光致發(fā)光的測(cè)試表明，Z-型CdS-Ag-TiO2三元復(fù)合納米管陣列膜的光生電荷分離

7、率高于CdS-TiO2和Ag-TiO2二元復(fù)合納米管陣列膜，也明顯高于純TiO2納米管陣列膜。光催化實(shí)驗(yàn)表明，Z-型CdS-Ag-TiO2三元復(fù)合納米管陣列膜的光催化降解MB的活性高于CdS-TiO2和Ag-TiO2二元復(fù)合納米管陣列膜，而且比純TiO2納米管陣列膜提高了約1.7倍。
　　 4．應(yīng)用換向電流脈沖沉積法在TiO2納米管陣列膜表面成功地沉積了高度分散、負(fù)載量可控、顆粒尺寸可控和沉積位點(diǎn)可控的Ag納米顆粒，獲得Ag納米