TiO2纳米棒阵列改性及其光电化学水分解研究

摘要

环境污染和能源危机是亟待解决的全球性问题，也是二十一世纪人类所面临的最大挑战之一。太阳能是一种清洁且储量丰富的能源，加之当今环境污染严重和化石燃料快速消耗，高效和低成本地利用太阳能成为非常重要的绿色能源来源之一。目前，利用太阳能的主要途径有太阳能光伏发电，光热，光致水分解，光致有机污染物降解等，都是极具前景的研究方向。众所周知，能源器件的性能强烈依赖于电极材料本身的性质和结构，而越来越多的具有独特功能的纳米材料被开发和利用，为高效利用太阳能解决能源危机和环境污染等问题提供了坚实基础和新的解决途径。其中，纳米TiO2因具有无毒、廉价、稳定等优点而成为光催化领域的热点。然而，多年来对TiO2的研究一直处于实验室研究阶段，很难在光催化领域走向工业化和商业化，其原因可以解释为:一是对光谱的响应范围小。纯的TiO2(锐钛矿)的禁带宽度较大(3.2 eV)，吸收阈值为387 nm，所以只能利用紫外光部分（约占太阳频谱范围约的4％），造成其对太阳光的利用效率偏低。其次是量子效率偏低。单纯的TiO2光催化剂的光生电子一空穴对很容易再发生复合，光催化性能不突出，光量子效率偏低是限制其走向实用化和工业化的主要原因。
　　本文以合成基于TiO2纳米棒阵列的高催化活性的电极材料为目标，通过半导体复合和金属离子掺杂的方法对TiO2纳米材料进行改性，更进一步的分析其光电催化行为的内在机理。首先我们进行了对TiO2进行与窄禁带半导体复合的研究。利用水热法制备了生长在FTO上的非密排的TiO2纳米棒阵列，通过加热FeCl3乙醇溶液，得到了Fe2O3@TiO2复合纳米材料光阳极，实验结果表明复合Fe2O3后电极光电化学性能明显提高，在1.23V（相对于标准氢电极）时得到了3.39mA/cm2的光电流密度，同时达到的光电转化效率高达1.135％，这是单独TiO2电极效率的3.3倍，是已报道过的Fe2O3与无序的TiO2纳米棒复合的结果的约11.3倍以及Fe2O3与密排TiO2纳米管复合结果的约6.2倍。通过机理分析表明，这一效率的增强主要是由于Fe2O3薄层很好的覆盖在TiO2纳米棒阵列能提高电极对紫外光的吸收，增大电子传输速率，减小电荷扩散长度，抑制光生电子-空穴对的复合。本论文的工作为提高TiO2材料在光解水中的应用提供了一种可行的路径。其次，我们进行了TiO2纳米材料Sn掺杂的研究。对TiO2纳米线阵列进行不同浓度的Sn掺杂，进行XRD，UV-vis漫反射，FESEM，TEM等表征发现Sn的添加不改变TiO2纳米棒的形貌。通过光电化学测试，观察到Sn的掺杂能促进TiO2对可见光的吸收并提高TiO2的光催化活性。研究结果表明，通过对材料的掺杂改性和复合组装，可从实现可控合成有独特光电性能的TiO2纳米材料，极大地改善电极在电荷分离、传递和传输中的动力学和热力学限制，从而提高其在高效光电催化方面的性能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外光电化学水分解研究现状

1．3 Ti2O材料的特性

1．3．1 TiO2的晶体结构

1．3．2 TiO2的基本物理化学性质

1．3．3 TiO2的能带结构

1．3．4 TiO2的光催化活性

1．3．5 一维TiO2纳米材料的研究进展

1．4 提高TiO2纳米材料光催化活性的方法

1．4．1 离子掺杂

1．4．2 贵金属沉积

1．4．3 半导体复合

1．4．4 表面光敏化

1．5 光电化学水分解基本原理

1．5．1 PEC光解水基本原理

1．5．2 PEC光解水主要技术指标

1．6 本论文的研究目的和创新点

1．6．1 该领域存在的问题和挑战

1．6．2 本论文研究目的

1．6．3 本论文创新点

第2章 材料制备和实验方法

2．1 实验材料和设备

2．1．1 实验材料和试剂

2．1．2 实验设备

2．2 材料制备和表征

2．2．1 水热法

2．2．2 热分解法

2．2．3 TiO2纳米棒阵列的制备

2．2．4 晶体结构的表征

2．2．5 成分和元素分析

2．2．6 形貌的表征

2．2．7 光学性质测试

2．3 光电极制备、光电性能表征和光电化学分解水测量

2．3．1 光电化学行为测试

2．3．2 交流阻抗分析技术

第3章 Fe2O3空穴传输层修饰TiO2及其光电化学分解水研究

3．1 引言

3．2 材料制备

3．3 Fe2O3复合对TiO2纳米棒的物理性质和光学性质影响

3．3．1 Fe2O3复合对TiO2纳米棒形貌的影响

3．3．2 Fe2O3@TiO2复合纳米材料的晶体结构和成份分析

3．3．3 Fe2O3复合对TiO2纳米棒光学性质的影响

3．4 Fe2O3@TiO2复合纳米材料光电化学行为

3．4．1 TiO2纳米棒阵列的光电化学性能

3．4．2 Fe2O3修饰量对TiO2电极光电化学行为的影响

3．5 电荷注入效率测试

3．6 交流阻抗对界面电荷拆分和复合的研究

3．7 Fe2O3复合后增强TiO2光电催化活性的机理

3．8 本章小结

第4章 Sn掺杂的TiO2纳米棒阵列及其光解水行为研究

4．1 引言

4．2 材料制备

4．3 Sn掺杂对TiO2纳米棒的物理性质和光学性质影响

4．3．1 Sn掺杂的TiO2纳米棒的形貌

4．3．2 Sn掺杂的TiO2纳米棒的晶体结构

4．3．3 Sn掺杂对TiO2纳米棒光学性质的影响

4．4 Sn掺杂的TiO2纳米棒的光电化学行为

4．5 交流阻抗对界面电荷拆分和复合的研究

4．6 Sn掺杂增强TiO2纳米棒的光电化学性能的机理分析

4．7 本章小结

第5章 本论文结论与展望

5．1 本论文结论

5．2 展望

参考文献

致谢

在学期间所发表的文章