高活性面暴露的TiO2制備及光-電化學(xué)性能研究.pdf

1、近年來，隨著日益嚴(yán)重的環(huán)境污染和破壞，日益短缺的潔凈天然能源等成為全球性問題，并引起了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注，生態(tài)潔凈的化學(xué)技術(shù)、材料和工藝成為了當(dāng)今科學(xué)家們面臨的最緊迫的挑戰(zhàn)。作為最重要的半導(dǎo)體之一，二氧化鈦在光催化劑、傳感器、光解水制氫和染料敏化太陽能電池領(lǐng)域表現(xiàn)出了獨(dú)特的應(yīng)用潛力，并且重新受到了廣泛的關(guān)注。
　　高活性晶面，作為二氧化鈦光催化研究的一個(gè)重要方向，高活性晶面的調(diào)控受到了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。然而，高活性晶面通常會(huì)迅速

2、消失在晶體生長的過程中，使得活性較低的{101}面成為銳鈦礦相二氧化鈦的主導(dǎo)晶面。最近，Yang等人通過理論計(jì)算得出，當(dāng)F-吸附在高活性晶面{001}面上時(shí)，可以使得晶體表面能大大降低，并采用HF為表面修飾劑，制備出暴露晶面為{001}面的銳鈦礦相二氧化鈦納米片。與P25商用二氧化鈦相比，{001}面暴露的二氧化鈦納米片表現(xiàn)出極高的光催化性能要高5倍之多。目前為止，高活性晶面的晶面調(diào)控僅限于{010}面和{001}面，其他高活性晶面鮮有

3、報(bào)道。二氧化鈦{010}面和{001}面以外的高活性晶面的調(diào)控和納米結(jié)構(gòu)調(diào)控還面臨著巨大的挑戰(zhàn)，本論文的主要研究對象為銳鈦礦相二氧化鈦，利用表面活性劑等對其進(jìn)行晶面調(diào)控和納米結(jié)構(gòu)調(diào)控，旨在發(fā)展新的高活性晶面暴露的納米二氧化鈦和相關(guān)的納米結(jié)構(gòu)作為光催化劑和光電極。
　　本論文的研究內(nèi)容集中在晶面調(diào)控和納米結(jié)構(gòu)調(diào)控兩個(gè)方面，主要分為以下五個(gè)部分:
　　一、采用水熱法，成功的制備出六方晶相和立方晶相單晶TiOF2納米片共同組成的T

4、iOF2花球結(jié)構(gòu)。通過一個(gè)退火過程，六方晶相和立方晶相單晶TiOF2納米片轉(zhuǎn)變成分別以{116}面和{001}面為主導(dǎo)晶面的單晶銳鈦礦相TiO2納米片。
　　二、采用兩步法，直接在FTO襯底上生長銳鈦礦相TiO2納米片陣列，而每一個(gè)納米片都是由取向?yàn)閧116}面的納米晶體通過‘取向搭接’機(jī)制自組裝而成的。通過改變前驅(qū)體溶液配比，平行于納米片表面的晶面可以由{116}面調(diào)控為{001}面。在紫外光照射下降解亞甲基藍(lán)的實(shí)驗(yàn)中，{116

5、}面取向的銳鈦礦相TiO2納米片陣列展示出一個(gè)比{001}面取向的銳鈦礦相TiO2納米片陣列高出50％的光催化性能。
　　三、采用簡單的水熱法制備{116}面暴露的分層花球結(jié)構(gòu)，并對其生長機(jī)理以及光催化性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明:無論是在紫外光還是在可見光照射下，暴露晶面為{116}面的TiO2分層花球結(jié)構(gòu)都具有遠(yuǎn)超P25和暴露晶面為{001}面的TiO2納米片的光催化性能。
　　四、采用優(yōu)化的一步法，在FTO襯底上制備TiO2

6、，其中乙醇用作溶劑，高相對比濃度的氫氟酸用作水解抑制劑和表面活性劑。大面積的“納米漁網(wǎng)”薄膜是由{116}面暴露的單晶銳鈦礦相TiO2納米片自組裝而成的。制備得到的“納米漁網(wǎng)”同時(shí)展現(xiàn)出增強(qiáng)的減反射性能和電化學(xué)性能，主要?dú)w結(jié)于光陷阱本性以及暴露的高指數(shù)面。
　　五、研究生長條件，比如生長時(shí)間、生長溫度、初始前驅(qū)體溶度、鈦源和表面活性劑等對“納米漁網(wǎng)”結(jié)構(gòu)的影響。同時(shí)，我們也對不同生長條件制備的“納米漁網(wǎng)”結(jié)構(gòu)的電化學(xué)性能進(jìn)行了研究