TiO2纳米管薄膜的制备及其光电化学性能的研究

论文摘要

高比表面积和特殊结构所衍生的突出物理化学特性使TiO2纳米管薄膜在光催化,气敏,光解水和光伏等应用领域具备极大的应用潜力,因此制备性能优异的TiO2纳米管薄膜以及发掘其应用潜力正成为一个研究热点。论文通过液相沉积-模板法和原位阳极氧化法制备高度有序TiO2纳米管薄膜,研究了TiO2纳米管薄膜的微观结构及其光电化学性能,评价了TiO2纳米管薄膜在光电协同作用下的催化性能,并进一步采用电沉积法制备得到了WO3/TiO2复合纳米管储能薄膜。采用液相沉积法-模板法成功制备了有序TiO2和纳米管薄膜。实验结果表明,在大孔径的AAO模板中易获得形貌明晰的纳米管结构,而在小孔径AAO模板中易获得纳米线;实验并采用液相沉积-模板法制备了SnO2纳米管薄膜。研究了不同电解质体系对原位阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列的影响,结果表明:以含水乙二醇溶液为电解质制备的TiO2纳米管的生长速度快,30min管长可达3μm,且纳米管排列紧凑管壁平滑,长度一致性好。在模拟太阳光的照射下,厚度约2.0μm纳米管薄膜在0.1M的NaCl溶液中的光生电位值达到了450mV,在偏压条件下测得的光生电流密度超过了1mA·cm-2,均明显优于采用无机含氟溶液为电解质制备的纳米管阵列。电化学阻抗分析显示TiO2纳米管的微结构直接影响了其光电化学性能。研究了外加偏压、电解质、溶液初始pH值等因素对TiO2纳米管阵列薄膜降解亚甲基蓝的光电催化性能的影响。实验结果表明,光电协同催化作用和纳米管结构产生的吸附作用极大促进了对有机物的降解效率;研究表明含水乙二醇溶液中制备的TiO2纳米管薄膜在+0.6V（vs. SCE）的偏压下可使初始浓度为10mg/L的亚甲基蓝溶液在60min光照时间内的降解率达到100%,其降解效率要远高于在无机电解质中制备的TiO2纳米管薄膜。采用电沉积法成功地将WO3等储能材料负载到TiO2纳米管阵列薄膜上并详细研究了电沉积的工艺条件对复合薄膜形貌的影响。对WO3/TiO2复合薄膜的开路电位的回复时间测试结果显示,氧化钛所产生的光生电子能被有效地储存而在光照停止后再被缓慢释放,30min的光照使开路电位的回复延时超过到7h,该特性为实现暗态下对金属的光生阴极保护提供可能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 纳米材料和纳米技术介绍
• 1.1.2 纳米效应
• 1.1.3 纳米半导体的光电特性
• 2纳米管的研究现状与进展'>1.2 TiO₂纳米管的研究现状与进展
• 2纳米管的制备方法'>1.2.1 TiO₂纳米管的制备方法
• 2纳米管的应用'>1.2.2 TiO₂纳米管的应用
• 1.2.3 TiO纳米管的改性
• 1.3 论文研究背景和研究意义
• 1.3.1 研究背景
• 1.3.2 研究意义
• 第二章实验条件及表征手段
• 2.1 实验研究内容及技术路线
• 2.1.1 研究内容
• 2.1.2 技术路线
• 2.2 主要的实验试剂及仪器
• 2.2.1 实验中所使用的主要试剂
• 2.2.2 实验中所使用的主要仪器
• 2.3 材料的制备
• 2.4 材料的主要表征途径
• 2.4.1 X 射线衍射（XRD）
• 2.4.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.4.3 透射电子显微镜（TEM）
• 2.4.4 X 射线光电子能谱（XPS）
• 2.4.5 紫外可见分光光度计（UV-Vis）
• 2.5 薄膜的光电化学性能测试
• 2.5.1 光电极制备
• 2.5.2 电化学阻抗谱
• 2.5.3 光伏测试
• 2.5.4 光电流密度
• 2纳米管薄膜'>第三章 液相沉积-模板法制备TiO₂纳米管薄膜
• 3.1 引言
• 3.2 阳极氧化铝（AAO）模板的制备
• 3.2.1 实验用品及仪器
• 3.2.2 实验过程
• 2纳米管'>3.3 液相沉积-模板法制备TiO₂纳米管
• 3.3.1 液相沉积原理
• 3.3.2 TiO纳米管薄膜的制备及形貌分析
• 2纳米管'>3.4 液相沉积-模板法制备SnO₂纳米管
• 2纳米管的制备'>3.4.1 SnO₂纳米管的制备
• 2纳米管的形貌分析'>3.4.2 SnO₂纳米管的形貌分析
• 3.5 本章小结
• 2纳米管阵列及其结构性能表征'>第四章 阳极氧化法制备TiO₂纳米管阵列及其结构性能表征
• 4.1 引言
• 2纳米管阵列的制备及表征'>4.2 TiO₂纳米管阵列的制备及表征
• 2纳米管阵列形成机理'>4.3 TiO₂纳米管阵列形成机理
• 2纳米管阵列表征及分析'>4.4 TiO₂纳米管阵列表征及分析
• 4.4.1 氢氟酸体系
• 4.4.2 氟化物体系
• 4.4.3 含水有机体系
• 2纳米管薄膜光电性能测试与分析'>4.5 TiO₂纳米管薄膜光电性能测试与分析
• 4.5.1 α-TNTs 的阻抗测试及分析
• 4.5.2 α-TNTs 的光生电位和光电流测试
• 4.5.3 β-TNTs 的阻抗测试及分析
• 4.5.4 β-TNTs 平带电位测试结果
• 4.5.5 β-TNTs 的开路电位及光电流测试
• 4.6 本章小结
• 2纳米管阵列薄膜的光电催化性能研究'>第五章 TiO₂纳米管阵列薄膜的光电催化性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 光电催化性能测试
• 5.2.1 光电催化反应系统
• 5.2.2 目标降解物选择
• 5.2.3 分析方法
• 5.2.4 α-TNTs 薄膜的光电催化测试和分析
• 5.2.5 β-TNTs 薄膜的光电催化测试和分析
• 5.3 本章小结
• 2纳米管阵列薄膜的制备和储能性质研究'>第六章 复合TiO₂纳米管阵列薄膜的制备和储能性质研究
• 6.1 引言
• 2储能薄膜的制备和表征'>6.2 复合TiO₂储能薄膜的制备和表征
• 6.2.1 电沉积技术
• 2/TiO₂纳米管复合薄膜的制备'>6.2.2 Sn0₂/TiO₂纳米管复合薄膜的制备
• 3/TiO纳米管复合薄膜的制备'>6.2.3 WO₃/TiO纳米管复合薄膜的制备
• 3/TiO₂复合薄膜的开路电位测试'>6.2.4 W0₃/TiO₂复合薄膜的开路电位测试
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要结果与结论
• 7.2 今后工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者攻读硕士期间论文发表情况