基于碳納米墻的半導(dǎo)體復(fù)合材料制備、表征及其光催化性能研究.pdf

1、零維C60和一維碳納米管被發(fā)現(xiàn)以后，納米結(jié)構(gòu)碳材料的研究及應(yīng)用引起了人們的廣泛關(guān)注，但二維納米結(jié)構(gòu)的碳納米墻的研究卻較少。碳納米墻可用于電子器件、超導(dǎo)、場(chǎng)發(fā)射等方面，特別是由于具有自支撐的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)和高的表面積，非常適合作為催化劑的載體。TiO2和WO3均是半導(dǎo)體材料，因具有較強(qiáng)的光催化氧化能力和高的光化學(xué)穩(wěn)定性，所以廣泛地作為催化劑用于多相光催化中。但TiO2和WO3的光催化效率有待進(jìn)一步提高以達(dá)到實(shí)用化目的，同時(shí)光催化劑在使用中遇到

2、粉體光催化劑難于分離回收，而負(fù)載于致密載體的催化劑的比表面積較小。利用碳納米墻的表面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將TiO2和WO3光催化劑與碳納米墻復(fù)合，可有效提高光催化劑比表面積，而且光催化劑與碳納米墻間形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)會(huì)有利于光致電子一空穴的分離。為此，采用偏壓等離子體增強(qiáng)熱絲化學(xué)氣相沉積方法制備的碳納米墻為基體，用化學(xué)氣相沉積方法制備了TiO2/碳納米墻和WO3/碳納米墻復(fù)合材料，并對(duì)材料進(jìn)行了系統(tǒng)表征和光催化性能的研究。本論文主要開(kāi)展了以下幾個(gè)方面

3、的工作： (1)獨(dú)立設(shè)計(jì)并建造了偏壓等離子體增強(qiáng)熱絲化學(xué)氣相沉積裝置，該裝置的加熱功率為3 kW，熱絲和基體間的外加偏壓可以達(dá)到300 V，最大成膜面積20 cm-2。利用該裝置，以金屬鈦為基體，選用H2和CH4作為反應(yīng)氣體，可以大量制備質(zhì)地均勻的碳納米墻。反應(yīng)過(guò)程中甲烷和氫氣的流量分別為18 sccm和6 sccm，體系壓強(qiáng)為3000 Pa，基體溫度為600℃，基體偏壓100 V，沉積時(shí)間為0.5 h。采用掃描電子顯微鏡對(duì)樣品

4、進(jìn)行分析結(jié)果表明，碳納米墻具有自支撐的碳納米片網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，完全獨(dú)立的垂直于基體方向向外擴(kuò)展。單個(gè)碳納米墻的厚度約為10 nm，長(zhǎng)度在500 nm到1μm之間，高度約為2μm。透射電鏡選區(qū)電子衍射分析和拉曼光譜分析表明碳納米墻是以sp2雜化形式為主的石墨類物質(zhì)。碳納米墻的形成主要決定于直流偏壓所形成的電場(chǎng)，而等離子體氛圍中碳粒子和原子氫的濃度也是形成碳納米墻的關(guān)鍵因素。 (2)以碳納米墻為基體，使用加熱鎢絲的化學(xué)氣相沉積方法，保持真

5、空反應(yīng)室內(nèi)空氣的壓強(qiáng)為3000 Pa，控制加熱電流為20 A，加熱時(shí)間為5 min，可將WO3非常均勻的包覆在碳納米墻外壁，制備出WO3/碳納米墻復(fù)合材料。這種復(fù)合材料的形成得益于碳納米墻所具有的開(kāi)放的形貌結(jié)構(gòu)。拉曼光譜和x射線衍射分析表明沉積在碳納米墻上的WO3的晶體結(jié)構(gòu)為單斜晶系的WO3。紫外-可見(jiàn)漫反射測(cè)試表明WO3/碳納米墻復(fù)合材料具有一定的光響應(yīng)。在相同實(shí)驗(yàn)條件下，WO3/納米墻電極的光電流密度及光催化降解對(duì)硝基苯酚的降解效率

6、高于所對(duì)照的三氧化鎢納米帶陣列電極。 (3)以碳納米墻為基體，選擇鈦酸四丁酯為鈦源，用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法，制備出TiO2/碳納米墻復(fù)合材料。在TiO2沉積過(guò)程中，通入500 sccm的氬氣作為載氣，沉積溫度控制在320℃，鈦酸四丁酯的用量為0.05 mLmin-1。當(dāng)沉積過(guò)程結(jié)束后，將反應(yīng)器的溫度以2℃ min-1的速度從320℃升至430℃，保溫1 h。隨著Tio2沉積時(shí)間的延長(zhǎng)，Tio2/碳納米墻的厚度可以從幾十納米增

7、至近200 nm。拉曼光譜和x射線衍射分析表明沉積在碳納米墻上Tio2為銳鈦礦相晶體。手工半導(dǎo)體參數(shù)儀所測(cè)定的電流一電壓(I-V)曲線表明TiO2和碳納米墻之間可以形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)。表面光電壓作用譜和光電流密度分析確定TiO2和碳納米墻間形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)有利于減少光生電子和空穴的復(fù)合。選擇苯酚作為目標(biāo)污染物，光催化降解苯酚的實(shí)驗(yàn)表明TiO2/碳納米墻電極的光催化活性高于二氧化鈦納米管陣列電極。TiO2/碳納米墻光電極所具有的開(kāi)放式的高比表面積