二氧化鈦復(fù)合薄膜構(gòu)筑及光電化學(xué)性能.pdf

1、二氧化鈦(TiO2)具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、抗光腐蝕、無毒和低成本等特點(diǎn)，在光電轉(zhuǎn)換和光催化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，TiO2的禁帶寬度較大，只能被波長小于387 nm的紫外光激發(fā)，且光生電子和空穴易復(fù)合，限制了其在光電催化領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，開發(fā)具有高效可見光響應(yīng)特性的TiO2光催化劑并拓展其應(yīng)用領(lǐng)域是當(dāng)前光催化研究的重要任務(wù)。
　　 針對TiO2光催化領(lǐng)域存在的問題，本文以提高TiO2的光催化活性及其在光電轉(zhuǎn)換效率為研究目標(biāo)，采

2、用氮摻雜改性TiO2光催化劑，并與NiO薄膜進(jìn)行復(fù)合，制備了ITO/TiO2-xNx/NiO復(fù)合薄膜電極。采用金屬鈦陽極氧化法制備了TiO2納米管陣列并分別在其管內(nèi)填充CdS和Ni(OH)2.，制備了TiO2/CdS和TiO2/Ni(OH)2復(fù)合薄膜。采用SEM、XRD、XPS和UV-Vis等對樣品進(jìn)行了表征，并對這些復(fù)合薄膜的光電化學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，獲得以下結(jié)果：
　　 1、分別采用溶膠-凝膠和磁控濺射兩種方法，用ITO導(dǎo)

3、電玻璃作為基底，制備氮摻雜二氧化鈦薄膜(TiO2-xNx)，然后采用化學(xué)沉積法在TiO2-xNx薄膜表面沉積多孔NiO薄膜，制備的ITO/TiO2-xNx/NiO復(fù)合薄膜具有較好的光電致變色特性和光能量儲存能力。
　　 采用溶膠-凝膠法制備氮摻雜TiO2-xNx薄膜，研究了原料摩爾比和熱處理溫度等對TiO2-xNx薄膜光電性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，不同摩爾比(尿素和鈦酸丁酯)制備的TiO2-xNx光催化劑的吸收邊均紅移至450～60

4、0 nm范圍，尤以摩爾比為4的樣品最為明顯。熱處理溫度也對TiO2-xNx薄膜的光電性能有明顯影響，400℃處理的ITO/TiO2-xNx與NiO復(fù)合制成的ITO/TiO2-xNx/NiO復(fù)合薄膜電極，在光照下具有可逆變色特性，薄膜顏色由無色變?yōu)樽厣珪r(shí)，400 nm處透射率變化達(dá)到50％，在100 nA下放電時(shí)間為4.2 h。
　　 采用磁控濺射法制備氮摻雜TiO2-xNx薄膜時(shí)，氣體流量比為1:2且熱處理溫度為400℃條件下制

5、備的TiO2-xNx薄膜和ITO/TiO2-xNx/NiO雙層薄膜具有優(yōu)異的光電流響應(yīng)特性和光電致色特性。光照1 h后，該樣品在500 nm波長處光透射變化率達(dá)82％，100 nA電流放電，放電時(shí)間約11.1 h，表明ITO/TiO2-xNx/NiO雙層薄膜具有良好的光電轉(zhuǎn)換特性和光能量存儲特性。
　　 在TiO2-xNx薄膜表面采用化學(xué)沉積法制備的NiO薄膜，具有多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有利于光生載流子的遷移和電解液的浸漬，光照過程中，

6、TiO2-xNx受光激發(fā)產(chǎn)生空穴將NiO氧化為更高價(jià)的NiOOH，薄膜從無色變成棕色，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)光充電和光致變色的作用。
　　 2、采用陽極氧化法制備了TiO2納米管陣列，并采用交流電沉積方法制備了CdS/TiO2光催化復(fù)合電極，研究了不同介質(zhì)和工藝對TiO2納米管陣列和CdS/TiO2光催化復(fù)合電極的微觀形貌及光電催化特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，采用鈦片為陽極，在NH4F和丙三醇水溶液中，制備的定向排列納米管陣列，管內(nèi)徑50～100

7、 nm，壁厚10 nm左右，納米管長約1μm。CdS在TiO2納米管陣列上的沉積狀態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)與沉積時(shí)間有密切關(guān)系。制備的CdS/TiO2復(fù)合薄膜電極在UV-Vis光照射下，光吸收邊呈現(xiàn)出兩種半導(dǎo)體材料的吸收特點(diǎn)，吸收邊在385和520 nm之間，隨著沉積時(shí)間增加，CdS/TiO2復(fù)合光催化劑光吸收邊紅移趨于增大。研究發(fā)現(xiàn)，沉積時(shí)間為3 min時(shí)制得的CdS/TiO2復(fù)合電極具有最佳的光電化學(xué)性能，在汞燈照射下對目標(biāo)降解物甲基橙(MO)