有序TiO2薄膜材料制备及沉积CdS的研究

论文摘要

有序纳米介孔材料具有规则连续可调的纳米级孔道结构,具有量子限制效应,小尺寸效应,表面效应,宏观量子隧道效应,以及介电限域效应,在石油化工、生物催化、光催化、环境保护、医药分离、微型电磁装置、光致发光材料、电极材料、信息储存等领域存在诱人的应用前景,引起国际物理学、化学及材料学界的高度关注,成为跨学科的研究热点之一。对于介孔材料,目前的发展主要集中在介孔材料的制备、功能化及其应用方面。其中有序的TiO2介孔材料为在其孔道内负荷半导体,功能染料、贵金属、碳纳米管等异质组分以提高介孔TiO2在光催化、亲水性等领域的效率提供了理想的宿主材料。本文采用溶剂蒸发诱导自组装法,在不同条件下分别制备了蠕虫状介孔TiO2和粒子规整排列的纳米TiO2薄膜和粉体材料。利用TG-DSC、XRD、FT-IR、Raman、AFM、SEM、TEM等测试技术对所制备的样品进行了表征,发现蠕虫状介孔TiO2经350℃焙烧后,模板被完全去除,而且为有序的蠕虫状介孔结构,晶相为锐钛矿;而粒子规整排列的纳米TiO2经400℃焙烧后为粒子均匀排列的球状结构,晶相为锐钛矿。对不同焙烧温度的样品进行光催化降解罗丹明B的性能研究,发现400℃焙烧的蠕虫状介孔TiO2和500℃焙烧的粒子规整排列的纳米TiO2具有最高的光催化活性。通过测量不同焙烧温度下TiO2薄膜的接触角,发现蠕虫状介孔TiO2薄膜的亲水性优于粒子规整排列的纳米TiO2薄膜,这与介孔TiO2的多孔结构有关。经高压汞灯照射后二者亲水性均有显著提高,蠕虫状介孔TiO2具有多孔结构和大的比表面积,经紫外光照射后产生了光诱导超亲水性。在蠕虫状介孔TiO2薄膜电极上利用电沉积法沉积了CdS,通过测定ITO/TiO2/CdS复合薄膜的光电流响应谱,判定CdS被沉积在了介孔TiO2孔道及其表面上,而且其光电响应范围被拓宽至可见光区,光电流显著增强。通过测定薄膜的吸收光谱,发现ITO/TiO2/CdS复合薄膜的吸收强度大大增加,且吸收显著红移,由此判定形成了TiO2-CdS异质结,从而使可激发光波长拓展到可见光部分,提高了对太阳光的利用率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 介孔材料概述
• 1.1.1 引言
• 1.1.2 介孔材料的分类
• 1.1.3 介孔材料的合成方法
• 1.1.4 介孔材料的表征
• 1.1.5 介孔材料的反应机理
• 1.1.6 介孔材料的应用
• 2材料概述'>1.2 介孔TiO₂材料概述
• 1.2.1 引言
• 2的物理化学性质'>1.2.2 介孔TiO₂的物理化学性质
• 2的合成方法'>1.2.3 介孔TiO₂的合成方法
• 2的表征'>1.2.4 介孔TiO₂的表征
• 2的应用'>1.2.5 介孔TiO₂的应用
• 1.3 电沉积概述
• 1.3.1 引言
• 1.3.2 电沉积纳米晶体材料的制备方法
• 1.3.3 电沉积纳米晶体材料的原理
• 1.3.4 电化学沉积在填充多孔半导体薄膜中的应用
• 1.4 选题背景及国内外研究现状
• 1.4.1 选题背景
• 1.4.2 国内外研究现状
• 1.5 本课题的研究内容
• 第2章 实验材料和表征方法
• 2.1 实验试剂
• 2.1.1 实验试剂和原料
• 2.1.2 基片的清洗与处理
• 2.2 实验仪器
• 2.3 表征方法及原理
• 2.3.1 广角 X射线衍射
• 2.3.2 热重-差示扫描量热
• 2.3.3 傅立叶变换红外光谱
• 2.3.4 拉曼光谱
• 2.3.5 紫外-可见光谱
• 2.3.6 接触角测量仪
• 2.3.7 原子力显微镜
• 2.3.8 透射电子显微镜
• 2.3.9 扫描电子显微镜
• 2薄膜及粉体的设计合成与表征'>第3章 粒子规整排列的纳米TiO₂薄膜及粉体的设计合成与表征
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 X-射线衍射分析（XRD）
• 3.3.2 原子力显微镜结果分析（AFM）
• 3.3.3 透射电子显微镜分析（TEM）
• 3.3.4 形成机理
• 3.4 本章小结
• 2薄膜及粉体的设计合成与表征'>第4章 蠕虫状介孔TiO₂薄膜及粉体的设计合成与表征
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 热重-差示扫描量热分析（TG-DSC）
• 4.3.2 X-射线衍射分析（XRD）
• 4.3.3 拉曼光谱分析（Raman）
• 4.3.4 傅立叶变换红外分析（FT-IR）
• 4.3.5 电镜分析
• 4.3.6 蠕虫状介孔结构的形成机理
• 4.4 本章小结
• 2纳米粒子的光催化性能研究'>第5章 TiO₂纳米粒子的光催化性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 光催化性能的评价
• 5.3.2 晶相结构对光催化性能的影响
• 5.3.3 比表面积对光催化性能的影响
• 5.3.4 粒径对光催化性能的影响
• 5.3.5 光照时间的影响
• 5.3.6 光强的影响
• 5.4 本章小结
• 2薄膜的亲水性能研究'>第6章 TiO₂薄膜的亲水性能研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 亲水性能的评价
• 2薄膜的亲水性'>6.3.2 不同焙烧温度下TiO₂薄膜的亲水性
• 2薄膜的光诱导亲水性'>6.3.3 不同焙烧温度下TiO₂薄膜的光诱导亲水性
• 2薄膜的润湿性转变现象'>6.3.4 TiO₂薄膜的润湿性转变现象
• 2薄膜的粘附功'>6.3.5 不同焙烧温度下TiO₂薄膜的粘附功
• 6.4 本章小结
• 2薄膜电极上沉积CdS及复合膜的光电性能研究'>第7章 在有序TiO₂薄膜电极上沉积CdS及复合膜的光电性能研究
• 7.1 引言
• 7.2 实验部分
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 沉积电位的确定
• 7.3.2 沉积时间的确定
• 7.3.3 光电流响应谱
• 7.3.4 薄膜的光吸收性能
• 7.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢