阳极氧化TiO2纳米管阵列的制备与阳离子掺杂

论文摘要

近年来,TiO2纳米管阵列的制备与应用得到了广泛的研究。阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列具有工艺简单、成本低廉、易于放大等优点,引起人们的极大关注。为了获得TiO2纳米管阵列的最佳性能,一方面需要有效地控制纳米管管径、管长、管壁厚度、管壁形貌、表面形貌质量等;另一方面就是对TiO2纳米管阵列进行掺杂改性。本文采用阳极氧化法分别在水溶液和丙三醇溶液中制备了掺杂与未掺杂的TiO2纳米管阵列,并研究了纳米管的形貌可控性、掺杂元素对纳米管形貌和热稳定性的影响,以及掺杂元素对TiO2晶粒生长和相变的影响。首先,研究了氧化电压和水分含量对TiO2纳米管管径、管长、表面形貌的影响。发现采用高的氧化电压可以制备出大管径的TiO2纳米管,并且纳米管的管径随着氧化电压的升高而线性地增大。当丙三醇溶液中的水分含量从零开始升高时,TiO2纳米管的管径随之增大,但是管长先减小后增大,表面形貌质量先上升后下降。此外,讨论了节状管壁的产生机理,认为水分是产生节状纳米管的必备条件。其次,通过氧化钛锆合金的方法制备出锆掺杂的TiO2纳米管,发现锆掺杂可以增加TiO2纳米管的长度。在480°C至680°C的高温热处理过程中,锆元素能够阻碍锐钛矿相TiO2晶粒的生长以及向金红石相的转变,并且ATNTA中锆含量越多,阻碍作用越明显。同时,锆掺杂还可以明显提高纳米管阵列形貌的热稳定性。此外,ATNTA的锆掺杂量可以通过改变基体的成分而很方便地得到调整。最后,通过氧化钛铬合金的方法制备出铬掺杂的TiO2纳米管,发现铬掺杂改变了TiO2纳米管阵列的形貌。管壁较厚的TiO2纳米管排列松散,管间距较大。在480°C至580°C的高温热处理过程中,基体发生了由β相向α相的转变,但没有破坏纳米管阵列的结构。铬掺杂促进了锐钛矿相TiO2晶粒向金红石结构的转变。在热处理的过程中,氧化膜中一直没有出现锐钛矿型的TiO2,而是在非晶的氧化膜中直接产生了金红石型的TiO2晶粒。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 2 纳米管简介'>1.2 TiO₂纳米管简介
• 2 纳米管的形成与生长机理'>1.3 阳极氧化TiO₂纳米管的形成与生长机理
• 1.4 阳极氧化工艺参数
• 2 纳米管的改性'>1.5 阳极氧化TiO₂纳米管的改性
• 2 纳米管的应用'>1.6 阳极氧化TiO₂纳米管的应用
• 1.7 本文研究目的及内容
• 第2章 实验方法
• 2 纳米管阵列的制备'>2.1 TiO₂纳米管阵列的制备
• 2.1.1 原材料与实验器材
• 2.1.2 阳极氧化实验过程
• 2.2 材料的综合表征
• 2.2.1 成分检测
• 2.2.2 形貌观察
• 2.2.3 物相分析
• 2纳米管阵列的可控制备'>第3章 TiO₂纳米管阵列的可控制备
• 3.1 引言
• 3.2 电压对ATNTA 形貌的影响
• 3.3 水分对ATNTA 形貌的影响
• 3.4 节状管外壁的产生机理
• 3.5 本章小结
• 第4章 锆掺杂ATNTA 的相变及形貌热稳定性研究
• 4.1 引言
• 4.2 材料的制备
• 4.2.1 Ti-Zr 合金基体的表征
• 4.2.2 阳极氧化反应
• 2 纳米管形貌的影响'>4.3 锆掺杂对TiO₂纳米管形貌的影响
• 4.4 纳米管阵列的XPS 成分分析
• 2 相变的影响'>4.5 锆掺杂对TiO₂相变的影响
• 4.6 锆掺杂对ATNT 形貌热稳定性的影响
• 4.7 本章小结
• 第5章 铬掺杂ATNTA 的制备及其相变行为
• 5.1 引言
• 5.2 材料的制备
• 5.2.1 Ti-Cr 合金基体的表征
• 5.2.2 阳极氧化反应
• 2 纳米管形貌的影响'>5.3 铬掺杂对TiO₂纳米管形貌的影响
• 5.4 纳米管阵列的成分分析
• 2 相变的影响'>5.5 铬掺杂对TiO₂相变的影响
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢