Fe改性TiO2及其光催化與光電化學(xué)性能研究.pdf

1、TiO2作為一種環(huán)境友好、廉價易得的n型半導(dǎo)體材料，以其良好的化學(xué)、熱穩(wěn)定性，無毒性，一直是光催化、光電領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，在染料敏化太陽能電池、光催化降解水和空氣污染物、光催化分解水制氫等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。尤其在環(huán)境問題日益凸顯，能源問題愈發(fā)嚴(yán)峻的當(dāng)今社會，利用光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能、電能，處理環(huán)境污染、開發(fā)清潔能源被視為解決這些問題的最有效途徑之一。TiO2作為在這一領(lǐng)域有良好表現(xiàn)的半導(dǎo)體材料，有著十分重要的研究意義。然而為盡可能的提高光

2、能的轉(zhuǎn)化效率，TiO2帶隙較寬、光生電子-空穴易復(fù)合等影響其性能發(fā)揮的缺陷需要被克服，研究工作者一直針對這些方而進(jìn)行著不懈努力。對改善TiO2性能的嘗試涵蓋了摻雜、復(fù)合、敏化等手段。其巾，由于具有相近的離子半徑，匹配的電位，F(xiàn)e離子被視作一種有效的過渡金屬離子摻雜劑;Fe的氧化物(Fe2O3)則作為具有合適的能級結(jié)構(gòu)，并且?guī)遁^窄(2.2eV)的n型半導(dǎo)體，通常被用來合成與TiO2的復(fù)合材料，以擴(kuò)展TiO2的光響應(yīng)范圍。本文利用不同鐵源

3、對TiO2納米管薄膜、粉體進(jìn)行了改性的嘗試，希望通過簡便、安全、快捷的方式，合成改性TiO2半導(dǎo)體材料。論文主要研究結(jié)論如下:
　　1.利用“火熱法”制備嵌碳TiO2微球技術(shù)，一步合成Fe摻雜的C-TiO2復(fù)合材料。配制鈦酸四丁酯和無水乙醇的混合溶液，通過直接點(diǎn)燃，對燃燒產(chǎn)物簡單研磨，得到可直接使用的TiO2光催化材料。XRD譜圖顯示，樣品的銳鈦礦晶型并未因體系中Fe的引入而破壞，適當(dāng)濃度的摻雜更有利于銳鈦礦晶型形成。由SEM圖觀

4、察到，前驅(qū)體體系中不同鐵源的引入對材料形貌有很大影響，無機(jī)鐵源(FeCl3)的引入使微球形貌幾乎完全破壞，而有機(jī)鐵源（乙酰丙酮鐵）的引入對微球形貌影響不大。XPS測試結(jié)果反映了Fe在嵌碳TiO2體系中的存在形式為進(jìn)入晶格替代Ti離子。UV-vis DRS光譜顯示，樣品在可見光區(qū)的吸收強(qiáng)度隨摻雜比例增加而提高。對樣品光照下降解亞甲基藍(lán)測試結(jié)果做動力學(xué)分析可知，以FeCl3做鐵源時，可見光下降解速率提高了14％;以乙酰丙酮鐵做鐵源時，紫外-

5、可見光下降解速率提高了22％。
　　2.采用陽極氧化方法制備Fe改性TiO2納米陣列。分別在電解液中加入無機(jī)鐵源FeCl3與Fe(NO3)3，對納米管薄膜同步改性，通過紫外-可見光、可見光下光電流密度的測試，探索此改性方法對半導(dǎo)體薄膜光電性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，低濃度的FeCl3(0.01M)可造成Ti基底的嚴(yán)重腐蝕，難以制備Fe改性的樣品。對電解液中加入Fe(NO3)3所制成樣品進(jìn)行光電性能測試，發(fā)現(xiàn)Fe(NO3)3濃度為0.

6、01M時所制得的樣品，在紫外一可見光下的光電流密度提高了一倍，可見光下光電流密度提高了50％。對各樣品進(jìn)行EIS測試，Nyquist曲線反映，電解液中Fe(NO3)3濃度為0.01M、0.03M時，阻抗半徑小于未改性TiO2薄膜電極，即電荷界面轉(zhuǎn)移電阻減小。而電解液中Fe(NO3)3濃度升至0.05M時，薄膜電極阻抗值相對于未改性樣品增大。分析樣品的Mott-Schottky曲線可知，隨Fe(NO3)3濃度提高，平帶電位產(chǎn)生負(fù)移再正移的

7、變化趨勢。
　　3.利用TiO2納米管的大比表面積和對小粒子良好的吸附特性，通過浸漬-焙燒法，以藍(lán)黑墨水為鐵源，對半導(dǎo)體薄膜進(jìn)行改性。通過控制不同的浸漬時間(10min，30min，90min)與熱處理溫度(450℃，550℃)等實(shí)驗(yàn)條件，制備了多組TiO2納米管薄膜。對其進(jìn)行光電性能測試，發(fā)現(xiàn)經(jīng)藍(lán)黑墨水處理的樣品均在紫外-可見光，可見光下發(fā)生光電流密度的衰減。由于藍(lán)黑墨水成分復(fù)雜，其他物質(zhì)可能在浸漬-焙燒過程中聚集于TiO2管口