掺Cu纳米TiO2薄膜材料及其光电性能的研究

摘要

TiO2是一种重要的无机功能材料，可制备电介质材料、光催化材料、太阳能电极材料、传感器等，有极好的应用前景。近些年来TiO2材料光催化降解有机污染物及提高材料光响应范围，从而提高太阳能转化效率等课题成为研究热点。但其较宽的禁带宽度(3.2eV)，只能对波长小于387nm以下的紫外响应，大大制约其发展及应用。本文通过对其进行金属掺杂改性，改变其禁带宽度，并成功制备出了光吸收限为450nm的TiO2纳米管薄膜，大大提高了TiO2材料的光吸收范围，拓宽了TiO2材料应用领域。
　　 本文主要工作:
　　 1)首先，采用磁控溅射法，通过讨论溅射气压、氧氩比和退火工艺制备出了结晶良好的锐钛矿相TiO2薄膜，结合此最优工艺，采用磁控射频共溅射法，制备了Cu、W、Zn、Ag等金属离子掺杂的锐钛矿相TiO2纳米薄膜，通过对比实验获得最佳的掺杂金属，并优化实验参数获得光催化性能最好的掺杂TiO2薄膜。
　　 2)其次，通过阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列，对比HF-水体系电解液与NH4F-乙二醇体系电解液制备的纳米管形貌，探讨各种工艺参数对TiO2纳米光阵列生长的影响。优化实验，得到最佳形貌的TiO2纳米管阵列。
　　 3)再次，选择最佳掺杂金属对TiO2纳米管阵列进行金属掺杂，用AUTOLAB电化学工作站测试其太阳能转化效率，验证金属离子掺杂对纳米管性能的影响。采用冷场发射扫描电镜，X射线衍射仪，XPS光电子能谱仪、紫外可见光谱仪等分析手段对复合半导体薄膜进行性能表征。
　　 结果表明:
　　 1)在溅射气压为0.7Pa,氧氩流量比为0∶40，退火温度为500℃时制备出结晶良好的锐钛矿型TiO2薄膜。在金属离子掺杂实验中，发现采用磁控溅射法制备的30W功率下Cu离子掺杂的TiO2复合半导体薄膜，其光吸收限发生明显红移，拓宽至可见光区域。
　　 2)由纳米氧化钛SEM照片可知，NH4F-乙二醇体系制备出的TiO2纳米管阵列，无论从生成纳米管的有序性、均匀性，还是从管径大小上来分析，其性能均优于HF-水体系。且最优实验参数为，电解液为NH4F浓度为0.5％，加水量为5％的乙二醇溶液，阳极氧化电压为60V，阳极氧化时间为4h。
　　 3)通过Cu金属掺杂，制备出了光吸收限为450nm的TiO2纳米管薄膜，并将制备的TiO2纳米管材料应用于染料敏化太阳能电池中，性能优于未掺杂样品。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 TiO2材料的光催化特性

1．2．1 纳米TiO2的结构

1．2．2 半导体光激发基本原理

1．2．3 TiO2的光催化原理

1．3 纳米TiO2薄膜材料研究进展

1．3．1 纳米TiO2薄膜的制备简况

1．3．2 纳米TiO2材料的改性

1．4 TiO2纳米管有序阵列研究进展

1．4．1 TiO2纳米管有序阵列制备简况

1．4．2 阳极氧化TiO2纳米管阵列的主要应用研究

1．5 论文的主要研究内容和文章结构安排

1．5．1 本论文主要从以下几方面开展研究工作

1．5．2 本文结构安排

第二章 实验和分析方法

2．1 实验所用试剂及仪器

2．2 样品的制备

2．2．1 掺杂TiO2薄膜的制备

2．2．2 TiO2纳米管的制备

2．2．3 掺杂TiO2纳米管的制备

2．3 样品的主要表征手段

第三章 磁控溅射Cu掺杂TiO2薄膜制备及性能研究

3．1 引言

3．2 纳米TiO2薄膜制备及表征

3．2．1 溅射气压对纳米TiO2薄膜晶型的影响

3．2．2 不同退火工艺对TiO2薄膜性能的影响

3．3 Cu与其他金属掺杂TiO2薄膜性能的比较

3．3．1 掺W、Zn、Cu、Ag纳米TiO2薄膜的制备

3．3．1 掺W、Zn、Cu、Ag纳米TiO2薄膜的紫外可见光谱比较分析

3．4 Cu掺杂对TiO2材料性能的影响分析

3．4．1 掺铜TiO2的紫外-可见(UV-vis)光谱及其禁带宽度

3．4．2 薄膜的XRD分析

3．4．3 X射线光电子能谱

3．5 小结

第四章 Cu掺杂TiO2纳米管阵列的制备及性能研究

4．1 引言

4．2 水溶液体系纳米管制备条件与形貌的关系

4．2．1 HF的浓度与纳米管形成关系

4．2．2 阳极氧化电压与纳米管形成关系

4．3 有机溶液体系与纳米管制备的研究

4．3．1 不同的加水量与纳米管的形成关系

4．3．2 不同的电压与纳米管的形成关系

4．3．3 不同的反应时间与纳米管的形成关系

4．4 Cu掺杂TiO2纳米管的制备及应用

4．4．1 Cu掺杂TiO2纳米管的制备

4．4．2 Cu掺杂TiO2纳米管材料紫外可见光谱分析

4．4．3 Cu掺杂TiO2纳米管材料SEM分析

4．4．4 Cu掺杂对纳米管电化学性能的影响

4．5 小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文

致谢