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文檔簡介
1、二氧化鈦(TiO2)作為一種無機功能材料,在科學研究領域引起了廣泛的關注,并獲得諸多的應用。尤其在與能源、環(huán)境相關的應用方面,例如太陽能電池和光電化學分解水、光催化降解水中污染物等領域,其應用前景廣闊、潛力巨大。隨著納米科學的進步,人們開發(fā)出了各種形態(tài)的TiO2納米材料,使其性能不斷提高。TiO2納米管陣列與其它形態(tài)的納米TiO2相比,具有比表面積更大、取向性更好等特點,且具有高效、有序的電子傳輸通道。這種新穎的納米結構有望提高TiO2
2、的光電、光催化性能。由于TiO2材料的形貌、晶體結構、化學組成等對其性能有很大影響,通過探索新型的制備技術,實現(xiàn)對TiO2材料的微觀結構和成分進行調控,從而達到優(yōu)化其性能的目的是一項非常重要和意義重大的研究工作。本文在傳統(tǒng)的陽極氧化制備TiO2納米管陣列的基礎上,通過控制和優(yōu)化氧化參數實現(xiàn)了對TiO2納米管陣列的尺寸形貌的主動調控;開發(fā)出新型的晶化工藝,并與窄禁帶半導體的復合,實現(xiàn)了對TiO2納米管陣列的改性;采用表面光電壓譜、光化學性
3、能測試研究了改性后TiO2納米管陣列的光電性能,闡述了其性能優(yōu)化的物理機理。主要內容如下:
(1)通過改變電解液體系、氧化電壓、氧化時間、氧化溫度等反應參數,對納米管陣列的納米管形貌和結構進行了研究和控制,結果表明:在不同電解液體系中,所需的氧化電壓范圍不同,制備的納米管管徑和管長也有差別;在同一電解液體系中,不同的氧化電壓對納米管管徑和長度等形貌有影響;不同的時間和溫度對納米管的長度也有顯著的影響;在不同電解液體系中,電壓、
4、時間還有溫度都有一個最優(yōu)區(qū)間,在這個區(qū)間制備出的TiO2納米管陣列的尺寸形貌得以優(yōu)化;在優(yōu)化工藝條件的基礎上,進一步采用不同的后期處理,得到了幾種新型結構的TiO2納米管陣列,包括氧化鋁模板型、半壁型、彈簧型等二氧化鈦納米管陣列。
(2)常溫下陽極氧化法制備TiO2納米管陣列為非晶態(tài)結構,而光電領域的應用要求對TiO2納米管陣列進行晶化。傳統(tǒng)的TiO2納米管陣列晶化方法包括在空氣或其它惰性氣氛中高溫退火,或在較高溫度的電解液中
5、陽極氧化。然而,在未來的諸多應用中,人們需要將TiO2納米管陣列制備在塑料、高分子等低耐熱性質的襯底上,這就需要在較低的溫度下對TiO2納米管陣列進行晶化。本文通過分別將常溫下陽極氧化法制備的TiO2納米管陣列置于水、乙二醇、乙醇等溶液中,通過常壓或水熱的方式可以在較低溫度下實現(xiàn)TiO2納米管陣列的晶化,同時可探索TiO2納米管陣列的低溫晶化途徑。我們發(fā)現(xiàn),水是最好的晶化溶液,可在40℃晶化TiO2納米管陣列,得到高質量的、單一銳鈦礦結
6、構的TiO2納米管陣列。
(3)采用陽極氧化法制備TiO2納米管陣列同時存在陽極氧化和化學刻蝕兩種過程。當陽極氧化時間較長時,化學刻蝕的作用不可忽略。適當利用這種化學刻蝕作用可以誘導納米管劈裂,使得納米線覆蓋在納米管表面,形成管/線復合結構,這種材料微觀結構的變化往往可以導致其電子輸運特性的變化,獲得新穎的性能。本文通過延長陽極氧化時間制備了TiO2納米管/線復合陣列,利用表面光電壓譜(SPS)和場誘導表面光電壓譜(FISPS
7、)研究了退火對TiO2納米管/線復合陣列表面光生電荷性質的影響,并結合晶體結構的變化分析了退火前后SPS和FISPS發(fā)生明顯變化的原因。結果表明,TiO2納米管/線復合陣列在晶化前后的導帶邊緣均出現(xiàn)了束縛激子態(tài),晶化前由于自建場較弱,束縛激子態(tài)能在正負電場作用下發(fā)生不對稱偏轉;晶化后,晶體結構從非晶態(tài)變?yōu)榫B(tài),自建場增強,束縛激子態(tài)對正電場敏感并表現(xiàn)出明顯的光伏響應,而在負電場作用下束縛激子態(tài)沒有任何的光伏響應。
(4)銳鈦礦
8、結構的TiO2能帶帶隙為3.2 eV,它只能吸收太陽光中的紫外光部分,而紫外光部分能量只占太陽光譜能量的約5%,導致其光電轉化效率較低。與窄禁帶半導體復合是拓展TiO2光響應范圍的重要方式。CuS是一種禁帶寬度為2.0 eV的半導體材料,廣泛用在鋰離子電池、聚合物表面改性、超導等領域。本文通過水熱方式實現(xiàn)了CuS與TiO2納米管陣列的有序復合。電流-電壓曲線表明CuS/TiO2納米管異質結陣列具有明顯的整流效應。根據表面光電壓譜和相位譜
9、,在376-600 nm之間,CuS/TiO2納米管異質結陣列表現(xiàn)為p型半導體特征,電子在表面聚集;在300-376 nm之間表現(xiàn)為n型半導體特征,空穴在表面聚集;在376 nm異質結陣列的表面光伏響應為零。CuS/TiO2和CuS/ITO之間界面電場的不同導致了異質結在不同波長范圍內表面電荷聚集的差異。光電化學性能測試表明以CuS/TiO2納米管異質結陣列為光陽極組成的光化學太陽電池在AM1.5G100 mW/cm2標準光強作用下具有
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