納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦的可控制備和光催化及光電化學(xué)性能研究.pdf

1、二氧化鈦(TiO2)納米材料具有成本低廉、無毒無害、應(yīng)用廣泛等優(yōu)勢，在光催化和太陽能電池等領(lǐng)域已經(jīng)受到了越來越多的關(guān)注。同時(shí)，納米材料的維度和尺寸已成為材料制備和應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵因素。由TiO2納米結(jié)構(gòu)單元有序排列組成的結(jié)構(gòu)具有特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和維度尺寸，因而在光催化和太陽能電池等領(lǐng)域極有可能帶來新的優(yōu)越性能。本論文在對相應(yīng)領(lǐng)域進(jìn)行文獻(xiàn)普查的基礎(chǔ)上，針對傳統(tǒng)納米粉末光催化劑容易團(tuán)聚和納米顆粒多晶薄膜光電轉(zhuǎn)換效率受限的問題，展開三維二氧化鈦納

2、米結(jié)構(gòu)和二氧化鈦納米棒陣列薄膜的制備機(jī)理研究。用溶劑熱法制備得到了不同微觀結(jié)構(gòu)的三維TiO2納米結(jié)構(gòu)和TiO2納米棒陣列薄膜，在TiO2納米棒陣列薄膜上沉積CdS納米顆粒，并對樣品的光催化和光電化學(xué)性能進(jìn)行了研究。本文的主要研究結(jié)果如下：
　　 通過改變?nèi)軇O性，在無需添加表面活性劑或其他添加劑的條件下，經(jīng)過一步溶劑熱法合成不同微觀結(jié)構(gòu)二氧化鈦組裝而成的三維納米結(jié)構(gòu)。在非極性溶劑中，金紅石相TiO2納米棒自組裝形成三維蒲公英狀二

3、氧化鈦結(jié)構(gòu)，在低極性或者極性溶劑中，也就是兩親性溶劑中，銳鈦礦相TiO2納米粒子自組裝形成微米球，以純水為溶劑時(shí)，形成TiO2的塊狀團(tuán)聚物。給出了不同溶劑中TiO2納米結(jié)構(gòu)的生長機(jī)理。
　　 揭示了在非極性溶劑體系中，酸性介質(zhì)、反應(yīng)溫度和反應(yīng)物濃度對TiO2納米結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)和光催化活性有著顯著影響。以鹽酸為酸性介質(zhì)制備的樣品為棒狀金紅石型TiO2組成的三維蒲公英狀結(jié)構(gòu)，以硝酸或醋酸為酸性介質(zhì)得到的樣品均為銳鈦礦型Ti

4、O2納米粒子組成的三維球形結(jié)構(gòu)。納米棒尖端具有錐形結(jié)構(gòu)的TiO2比頂端為平面的納米棒、納米棒碎片或納米顆粒球形結(jié)構(gòu)具有更低的反射率、更高的光吸收強(qiáng)度和更好的光催化活性。闡述了三維TiO2納米結(jié)構(gòu)在不同生長條件下的生長機(jī)理。
　　 對TiO2納米棒陣列薄膜的研究表明，納米棒的幾何形貌，特別是尖端結(jié)構(gòu)是決定TiO2薄膜光電極光電化學(xué)性能的關(guān)鍵因素。采用溶劑熱法在非極性溶劑中制備二氧化鈦納米棒陣列薄膜，通過控制反應(yīng)物中的鈦源濃度來調(diào)節(jié)

5、納米棒的幾何形貌。具有錐形尖端形貌的二氧化鈦單晶納米棒陣列薄膜具有梯度折射率和內(nèi)部散射效應(yīng)，能夠獲得更低的反射率、更高的光捕獲效率、更快的電荷－載流子分離和傳輸、更好的親水性和后續(xù)的量子點(diǎn)組裝。在TiO2納米棒表面沉積CdS納米顆粒進(jìn)行敏化。具有錐形尖端結(jié)構(gòu)的TiO2薄膜光電極經(jīng)CdS量子點(diǎn)敏化后具有很好的光電化學(xué)性能，光電流密度為5.13 mA/cm2，是相應(yīng)的未敏化樣品的25.6倍，IPCE最大值約為22％，出現(xiàn)在400－500 n