納米結構TiO-,2-薄膜的制備、改性、表征及其光電特性與光催化活性研究.pdf

1、納米結構TiO2薄膜作為一種新型的納米TiO2材料在能源、環(huán)境和材料科學等領域顯示出誘人的應用前景。然而，銳鈦礦型TiO2是寬禁帶(Eg=3.2 eV)半導體，對太陽光的利用率低，且光生電子-空穴對復合率高，光轉(zhuǎn)換效率低等問題嚴重阻礙了TiO2光催化材料的工業(yè)化應用。近幾十年來，世界各國的科技工作者一直在努力探索多種制備方法和改性技術，以期提高TiO2光催化效率和對太陽光的利用率。 本工作側重發(fā)展電化學陽極氧化技術，在金屬Ti基

2、體表面制備一層具有特殊形貌結構的TiO2薄膜并對其進行表面改性處理，以期拓展TiO2薄膜光譜響應范圍，有效地抑制光生電子-空穴對的復合并提高其光電轉(zhuǎn)換效率。一方面，采電化學陽極氧化方法在Ti金屬基體表面制備花狀銳鈦礦TiO2薄膜和TiO2納米管陣列薄膜；另一方面，采用電化學和超聲電化學沉積技術，對所制備的TiO2納米管陣列膜進行改性，拓展其光譜響應范圍，提高光生電子-空穴對的分離效率。利用SEM、TEM、XPS、XRD、Raman和UV

3、-vis吸收光譜等技術對TiO2薄膜的表面形貌、組成成份、結構和光吸收等進行表征，通過光電流譜考察納米結構復合薄膜的光電性能，并通過檢驗納米結構的TiO2薄膜及其復合薄膜對目標污染物甲基橙(MO)、羅丹明B(RhB)的可見光催化降解效率評價其可見光催化活性。 主要研究進展及結果如下： 1.首次應用電化學陽極氧化法，以金屬Ti為基底，在室溫下以NH4F水溶液為電解液成功地制備出具有純銳鈦礦相的TiO2薄膜，該薄膜具有獨特的

4、花狀微納米結構。當電解質(zhì)NH4F濃度在0.01-1.0 mol/L，陽極氧化電壓在20-90 V時，均能制備出花狀微納米結構的TiO2薄膜。實驗結果表明，由于制備過程中NH4F電解液中的F和N的自摻雜作用，使得花狀微納米結構銳鈦礦TiO2薄膜具有強的可見光響應，吸收帶邊發(fā)生了顯著的紅移(至520 nm)。光催化降解RhB的結果表明，花狀銳鈦礦TiO2薄膜具有高的可見光催化活性。 2.應用電化學陽極氧化法，室溫下以不含NH4+、N

5、O3-離子的NaF水溶液為電解液在50 V電壓下成功地合成了具有花狀微納米結構的銳鈦礦TiO2薄膜。該薄膜較NH4F水溶液體系中合成的花狀TiO2薄膜與基底間有更好的結合力。 3.發(fā)展了窄禁帶半導體和TiO2半導體的耦合技術。采用電化學沉積方法，以TiO2納米管陣列膜為工作電極，分別在100℃和160℃的環(huán)境溫度下在含CdCl2和飽和S或Se的二甲亞砜(DMSO)電沉積液中制備出具有高可見光活性的CdS-TiO2和CdSe-Ti

6、O2復合半導體薄膜。實驗結果表明，由于CdS和CdSe納米顆粒的耦合，使TiO2納米管陣列膜在紫外和可見光區(qū)均具有優(yōu)良的光電化學特性。光電流譜的測試結果表明，CdS-TiO2復合半導體薄膜的光響應波長最大可擴展到480 nm，其光電流強度較。TiO2納米管陣列膜提高了5倍。CdSe-TiO2復合半導體薄膜光電流強度較TiO2納米管陣列膜提高了4倍。分別以MO和RhB為目標污染物，研究了CdS-TiO2復合半導體薄膜的光催化性能。結果表明

7、，該復合半導體薄膜具有高的可見光催化活性，對目標污染物MO和RhB的光催化降解速率分別較純TiO2納米管陣列膜提高了2.8和3.6倍。 4.發(fā)展了超聲電化學沉積技術，以含CdCl2和飽和S的DMSO為電沉積液，在50℃下成功地將CdS納米顆粒裝入TiO2納米管內(nèi)。超聲技術的應用，大大地降低了CdS電沉積的環(huán)境溫度，同時使CdS納米顆粒尺寸更小且在TiO2納米管中的分布更均勻。光電性能測試結果表明，超聲電沉積制備的CdS-TiO2