TiO2納米棒陣列改性及其光電化學(xué)水分解研究.pdf

1、環(huán)境污染和能源危機(jī)是亟待解決的全球性問題，也是二十一世紀(jì)人類所面臨的最大挑戰(zhàn)之一。太陽能是一種清潔且儲量豐富的能源，加之當(dāng)今環(huán)境污染嚴(yán)重和化石燃料快速消耗，高效和低成本地利用太陽能成為非常重要的綠色能源來源之一。目前，利用太陽能的主要途徑有太陽能光伏發(fā)電，光熱，光致水分解，光致有機(jī)污染物降解等，都是極具前景的研究方向。眾所周知，能源器件的性能強(qiáng)烈依賴于電極材料本身的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，而越來越多的具有獨(dú)特功能的納米材料被開發(fā)和利用，為高效利用太

2、陽能解決能源危機(jī)和環(huán)境污染等問題提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)和新的解決途徑。其中，納米TiO2因具有無毒、廉價(jià)、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而成為光催化領(lǐng)域的熱點(diǎn)。然而，多年來對TiO2的研究一直處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，很難在光催化領(lǐng)域走向工業(yè)化和商業(yè)化，其原因可以解釋為:一是對光譜的響應(yīng)范圍小。純的TiO2(銳鈦礦)的禁帶寬度較大(3.2 eV)，吸收閾值為387 nm，所以只能利用紫外光部分（約占太陽頻譜范圍約的4％），造成其對太陽光的利用效率偏低。其次是量子效率偏低

3、。單純的TiO2光催化劑的光生電子一空穴對很容易再發(fā)生復(fù)合，光催化性能不突出，光量子效率偏低是限制其走向?qū)嵱没凸I(yè)化的主要原因。
　　本文以合成基于TiO2納米棒陣列的高催化活性的電極材料為目標(biāo)，通過半導(dǎo)體復(fù)合和金屬離子摻雜的方法對TiO2納米材料進(jìn)行改性，更進(jìn)一步的分析其光電催化行為的內(nèi)在機(jī)理。首先我們進(jìn)行了對TiO2進(jìn)行與窄禁帶半導(dǎo)體復(fù)合的研究。利用水熱法制備了生長在FTO上的非密排的TiO2納米棒陣列，通過加熱FeCl3乙

4、醇溶液，得到了Fe2O3@TiO2復(fù)合納米材料光陽極，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明復(fù)合Fe2O3后電極光電化學(xué)性能明顯提高，在1.23V（相對于標(biāo)準(zhǔn)氫電極）時(shí)得到了3.39mA/cm2的光電流密度，同時(shí)達(dá)到的光電轉(zhuǎn)化效率高達(dá)1.135％，這是單獨(dú)TiO2電極效率的3.3倍，是已報(bào)道過的Fe2O3與無序的TiO2納米棒復(fù)合的結(jié)果的約11.3倍以及Fe2O3與密排TiO2納米管復(fù)合結(jié)果的約6.2倍。通過機(jī)理分析表明，這一效率的增強(qiáng)主要是由于Fe2O3薄層很

5、好的覆蓋在TiO2納米棒陣列能提高電極對紫外光的吸收，增大電子傳輸速率，減小電荷擴(kuò)散長度，抑制光生電子-空穴對的復(fù)合。本論文的工作為提高TiO2材料在光解水中的應(yīng)用提供了一種可行的路徑。其次，我們進(jìn)行了TiO2納米材料Sn摻雜的研究。對TiO2納米線陣列進(jìn)行不同濃度的Sn摻雜，進(jìn)行XRD，UV-vis漫反射，F(xiàn)ESEM，TEM等表征發(fā)現(xiàn)Sn的添加不改變TiO2納米棒的形貌。通過光電化學(xué)測試，觀察到Sn的摻雜能促進(jìn)TiO2對可見光的吸收并