SnO2-TiO2NTs复合膜的稳定性与光生阴极保护的实验与理论研究

摘要

二氧化钛因为其具有无毒、无污染、价格低廉且光电化学性质优异等特点,受到了国内外研究者的青睐。其中一个很重要的应用就是光生阴极保护，其机理就是通过半导体在光照下,当入射光子的能量大于半导体的禁带宽度时，激发半导体的价带电子跃迁到导带,产生高活性的光生电子-空穴对。光生电子则向电势较低的金属表面移动,电极电位降至低于金属材料的自然腐蚀电位,使得金属基体进入热力学稳态区。但是，TiO2的宽能隙（Eg=3～3.2 eV）和光生电子-空穴对的快速复合限制了在实践中的应用。为了能够充分利用太阳能，需要对 TiO2进行改性来提高其催化效率。 本文先用二次阳极氧化的方法成功制备了二氧化钛纳米管阵列（TiO2NTs），并且在450℃的温度下退火2小时，得到了管口清晰、形貌规整的锐钛矿型二氧化钛纳米管。然后用电沉积的方法制备将SnO2和TiO2NTs复合制备成纳米花状的SnO2-TiO2NTs复合电极，该电极具有更好的光电转换性能。在紫外光照下，与原始的TiO2NTs 电极相比，SnO2-TiO2NTs 复合电极的电流密度提高了大约四倍。并用腐蚀电化学的方法研究了TiO2NTs和SnO2-TiO2NTs对304不锈钢的光生阴极保护作用，开路电位-时间曲线表明，SnO2-TiO2NTs（-730mV vs. SCE）的开路电位比TiO2NTs（-670mV vs.SCE）更负，表明SnO2-TiO2NTs复合电极与304SS相连接可以获得更有效的光生阴极保护效果。即使在一定时间内关闭光源，该复合电极可以对304不锈钢持续保护一段时间，原因是SnO2可以在光照时储存一部分电子。 采用密度泛函理论（DFT）的方法，通过 VASP5.2 软件包优化了 TiO2NTs和SnO2-TiO2NTs的结构并计算结合能证明了其复合电极的稳定性，并且计算了电子密度差异和态密度来证明电子的储存和转移过程，计算结果从侧面验证了SnO2-TiO2NTs复合电极具有更好的光催化活性，与实验中的结果很好的吻合。

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