基于氫基鈦酸納米管的新型半導體復合技術及光催化應用研究.pdf

1、低維無機納米材料的合成與應用,成為近年納米科學研究領域的熱點。本文系統(tǒng)研究了一維氫基鈦酸納米管的化學組份、微觀結構、生長規(guī)律、相轉變規(guī)律、形貌控制等性質。 XPS光電子能譜被用以分析氫基鈦酸納米管中鈦、氧元素的化學狀態(tài),O-1s結合能曲線分峰擬合顯示了氧原子中主要有三種化學狀態(tài),即晶格氧、羥基氧和少量結合水氧原子。XPS靈敏度因子法被用以計算納米管中鈦氧原素比例(接近1:3),而所得納米管組成更接近于表達式H2Ti2O4(OH)2。文中

2、報道了NaOH溶劑對鈦酸納米管卷曲和形成的影響,通過調控 NaOH溶劑生長納米管和納米片兩種形貌。文中探索了一種低溫結晶法使氫基鈦酸納米管在100℃結晶為光催化活性的銳鈦礦,繼而考察了結晶工藝對氫基鈦酸納米管結晶產物光催化活性的影響,并對光催化反應速率進行了一級動力學擬合。
　　過渡金屬元素是重多半導體和催化劑的組成元素。為了在氫基鈦酸納米管載體表面生長異質半導體或催化劑,合成路徑可以采取一種兩步法方案,先利用氫基鈦酸納米管將過渡

3、金屬離子吸附于管表面,再通過后續(xù)化學反應將被吸附的組分轉換為所需的化合物,使異質半導體或催化劑粒子生長于納米管載體表面。然而難點在于,如何提高氫基鈦酸納米管對過渡金屬元素的吸附能力,并使其大量分散于納米管表面。文中研究了氫基納米管吸附不同過渡金屬離子時,其吸附能力對溶液pH的依存關系。XPS深入分析了上述吸附反應,包括被吸附的金屬離子在氫基鈦酸納米管表面的化學狀態(tài),吸附反應對鈦酸納米管表面Ti-2p結合能和O-1s結合能的影響等。XPS

4、分析表明,氫基鈦酸納米管吸附過渡金屬離子后,使納米管表面Ti-2p結合能正位移,并使O原子有新的成鍵。過渡金屬元素在氫基鈦酸納米管表面可能的吸附機理被提出。
　　半導體復合技術是光催化材料改性的主要手段之一。通過在納米管表面生長異質半導體粒子,以修飾半導體納米管,改善光譜響應能力和光生載流子遷移效率,有利于制備活性更高的復合型半導體光催化劑。如何有效在半導體納米管表面生長異質半導體納米粒子成為研究熱門。本文借助于氫基鈦酸納米管對鎘

5、元素的吸附性能,將鎘元素分散于納米管,再通過在納米管表面的后續(xù)反應,在一維氫基鈦酸納米管多層管壁結構上誘導生長了CdS納米簇(小于5 nm),這些納米簇居于管壁并分布均勻密集,每只鈦酸納米管(100nm)沿長軸方向在管壁上生長著幾十個CdS半導體納米簇。文章考察了CdS納米簇在氫基鈦酸納米管表面的生長分布狀態(tài),考察了該復合體系的相轉變、光催化活性和熱處理工藝對光催化活性的影響,以及進行了一級動力學擬合等。CdS納米簇修飾使氫基鈦酸納米管

6、的銳鈦礦結晶產物的光催化活性提高3倍。
　　利用氫基鈦酸納米管表面對銀離子的吸附配位和釋放性能,合成出了不同生長位置的AgBr納米粒子,包括直接生長于氫基鈦酸納米管表面,或分布于納米管周圍空間。實驗得到了一種梯度生長和分布的AgBr納米粒子,在水相溶液中環(huán)繞于氫基鈦酸納米管周圍,由納米管表面近處到遠處,呈放射狀分布和梯度粒徑變化。隨著AgBr生成位置遠離氫基鈦酸納米管表面,其粒子尺寸逐漸降低(最小約5nm)。可見光催化活性測試顯示

7、,利用氫基鈦酸納米管表面化學合成的AgBr納米粒子具有優(yōu)異的活性。此外,利用 AgBr納米粒子晶籽的誘導效應,光化學還原溶液中游離銀離子,成功在AgBr粒子表面一側(一端)高度特異性生長出唯一的一個Ag單元,不同于已往報道中無規(guī)則不可控的在半導體表面沉積金屬粒子,從而合成出啞鈴型金屬-半導體復合納米粒子。每個該粒子包含了一個半導體單元在粒子一端,相對另一端則是金屬單元,兩相之間都通過固相界面緊密連結。這種新穎結構實現(xiàn)了在粒子水平控制某組