純鈦水熱法制備低維納米結(jié)構TiO2及其光電化學性能研究.pdf

1、納米TiO2是一種重要的無機功能材料,納米TiO2是一種重要的無機功能材料,被廣泛應用于環(huán)境治理、太陽能光伏電池、氣敏傳感器、光解水制氫氣和氧氣等方面。為了拓展TiO2納米材料的應用領域或提高其應用性能,近年來通過構建特殊結(jié)構和形貌的TiO2納米材料的研究與日俱增。另外,TiO2納米材料在實際應用過程中通常要固載在電極上,以便于回收利用?；谶@一思路,本文以鈦箔為鈦源,采用水熱法在鈦箔表面制備了具有特殊結(jié)構的TiO2納米材料,包括F-T

2、iO2微球、三維網(wǎng)絡結(jié)構TiO2線薄膜、TiO2納米線/棒陣列,并制成電極進行應用研究。此外,還以鈦粉作為鈦源,水熱制備了TiO2納米棒/帶微球和超長TiO2納米線。利用FESEM、XRD、TEM、UV-vis、Raman等手段對制備產(chǎn)物的形貌和結(jié)構進行表征,系統(tǒng)地研究了水熱參數(shù)等對產(chǎn)物結(jié)構和形貌的影響,總結(jié)了納米TiO2晶體生長規(guī)律。具體內(nèi)容包括:
　　 首先,在無機酸性溶液中利用水熱法在鈦箔表面制備了具有多級結(jié)構含F(xiàn)的TiO

3、2(F-TiO2)微球。研究表明,只有在沒有氧化層的鈦箔表面才能制備出F-TiO2微球,溶劑粘度增加會降低晶體生長速率。F-TiO2微球的形貌受溶液濃度以及溶液中酸根離子的影響。在5mM,摩爾比為1:1的NH4F和HCl的溶液中制備出多級結(jié)構的F-TiO2微球,微球由被削去一端的多孔八面體晶組成,晶型是銳鈦礦型和金紅石型的混晶相。XPS結(jié)果證實F離子是以物理吸附的方式存在于TiO2微球表面。通過UV-vis吸收光譜研究了F-TiO2微球

4、的光學性能。F-TiO2微球表面的氟化,微孔和介孔結(jié)構,高入射光利用率使F-TiO2微球在光解水反應中表現(xiàn)出高光電化學活性.光電化學檢測結(jié)果顯示F-TiO2微球薄膜的光電流密度是P25顆粒薄膜的2倍多。
　　 其次,在NaOH溶液中利用水熱法在鈦箔表面制備了三維網(wǎng)絡結(jié)構的TiO2納米線薄膜(W-film)。W-film是由大量非定向生長的銳鈦礦型納米線組成,直徑為10-30nm,長度大于5μm。光學性能研究結(jié)果表明,在350-7

5、00nm波長范圍內(nèi)W-film的吸光度均大于TiO2納米粒子(P25)薄膜(P-film)的吸收度,吸收帶邊發(fā)生紅移。同時吸光度隨水熱時間增加而增加。W-film的瞬態(tài)光電流密度約為P-film的2.05倍。W-film對甲基橙的光催化降解速率是P-film光催化降解速率的2.3倍。研究表明,水熱過程中鈦溶解、鈦酸鹽的擴散、鈦酸鹽結(jié)晶生長之間的動態(tài)平衡決定了產(chǎn)物的結(jié)構和形貌。根據(jù)這個規(guī)律,我們將鈦箔放入1M的NaOH溶液中,200℃下水

6、熱處理48h后得到垂直于鈦基底生長的TiO2納米線陣列薄膜。
　　 再次,在四甲基氫氧化銨(TMAOH)溶液中利用水熱法在鈦箔表面制備了垂直于基底生長的單晶銳鈦礦TiO2納米棒陣列,具有四棱柱、雙尖錐結(jié)構。研究表明,產(chǎn)物形貌、尺寸、以及生長取向受水熱溫度和溶液濃度控制。此外,TiO2納米棒的形貌和結(jié)構是由于四甲基銨通過氫鍵吸附在平行于銳鈦礦TiO2的(001)晶面造成的。TiO2納米棒陣列具有優(yōu)異光電化學性能的原因在于:單晶Ti

7、O2納米棒中晶界較少,一維結(jié)構能為電子提供直線傳輸路徑。
　　 最后,在NaOH溶液中水熱處理鈦粉制備出TiO2納米棒/帶微球和超長TiO2納米線。研究顯示,水熱溫度和溶液濃度共同決定了晶體生長方向,水熱時間決定了鈦的剩余量及產(chǎn)物尺寸。當溫度和濃度在一定范圍內(nèi),即水熱過程中鈦和NaOH反應的速率(Vr),產(chǎn)物鈦酸鈉的擴散速率(Vd)及結(jié)晶速率(Vc)達到一定程度的平衡(Vr()Vd()Vc),晶體就會沿著鈦顆粒的徑向生長,反應4