高活性面暴露的TiO2制備及光-電化學性能研究.pdf

1、近年來，隨著日益嚴重的環(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，并引起了科學家們的廣泛關注，生態(tài)潔凈的化學技術、材料和工藝成為了當今科學家們面臨的最緊迫的挑戰(zhàn)。作為最重要的半導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域表現出了獨特的應用潛力，并且重新受到了廣泛的關注。
　　高活性晶面，作為二氧化鈦光催化研究的一個重要方向，高活性晶面的調控受到了科學家們的廣泛關注。然而，高活性晶面通常會迅速

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晶面。最近，Yang等人通過理論計算得出，當F-吸附在高活性晶面{001}面上時，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控僅限于{010}面和{001}面，其他高活性晶面鮮有

3、報道。二氧化鈦{010}面和{001}面以外的高活性晶面的調控和納米結構調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行晶面調控和納米結構調控，旨在發(fā)展新的高活性晶面暴露的納米二氧化鈦和相關的納米結構作為光催化劑和光電極。
　　本論文的研究內容集中在晶面調控和納米結構調控兩個方面，主要分為以下五個部分:
　　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花球結構。通過一個退火過程，六方晶相和立方晶相單晶TiOF2納米片轉變成分別以{116}面和{001}面為主導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，而每一個納米片都是由取向為{116}面的納米晶體通過‘取向搭接’機制自組裝而成的。通過改變前驅體溶液配比，平行于納米片表面的晶面可以由{116}面調控為{001}面。在紫外光照射下降解亞甲基藍的實驗中，{116

5、}面取向的銳鈦礦相TiO2納米片陣列展示出一個比{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構，并對其生長機理以及光催化性能進行研究，結果表明: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分層花球結構都具有遠超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”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”同時展現出增強的減反射性能和電化學性能，主要歸結于光陷阱本性以及暴露的高指數面。
　　五、研究生長條件，比如生長時間、生長溫度、初始前驅體溶度、鈦源和表面活性劑等對“納米漁網”結構的影響。同時，我們也對不同生長條件制備的“納米漁網”結構的電化學性能進行了研究