单节点与多节点TiO2纳米管阵列的制备及形态控制

摘要

TiO2因其活性好、稳定性和生物相容性高等优点成为备受重视的一种光催化剂。与粒状TiO2相比，TiO2纳米管具有更大的比表面积、更高的催化活性和附着能力，在光解水制氢、污水处理、太阳能敏化电池等方面有很高的研究和应用价值。但是由于TiO2带隙较宽(3.2～3.6eV)，光催化过程中只能吸收太阳光中含量很少的紫外光，不能吸收可见光，光电转换效率低。为降低TiO2的能带带隙需要对纳米管的结构进行改良，增加纳米管阵列的比表面积。
　　本文利用NH4F的乙二醇有机电解质溶液，对纯钛进行电化学阳极氧化，制备不同形貌结构的TiO2纳米管阵列;讨论不同因素对纳米管阵列形貌的影响，确定最佳制备工艺;研究不同形貌纳米管阵列的形成机理。使用扫描电子显微镜和X射线衍射仪对纳米管阵列进行形貌和物相表征。
　　研究结果表明:管状形貌的形成是由于氧化开始后电压击穿纯钛表面氧化膜形成微孔，纯钛基底在微孔处与电解液发生电化学阳极氧化。电压持续作用在微孔处氧化反应不断进行，微孔横向扩大为管状形貌纵向垂直钛基底生长，最终形成规整的纳米管阵列结构;与直流低压相比脉冲高压条件下所制得的纳米管阵列更加均匀规则、形成时间更短、纳米管生长效率更高且形貌可控性强。经多次正交实验确定制备纳米管阵列的最佳制备工艺。在脉冲高压下经多次阳极氧化可制备比表面积更大的多节点TiO2纳米管阵列，由于F离子浓度梯度的存在导致了纳米管的分层状形貌。
　　脉冲电压条件下，脉冲高低电压交替氧化制备出竹节状纳米管阵列，其比表面积比多节点状纳米管阵列更大;竹节状纳米管阵列的上下贯通状形貌也使得纳米管节点间连接更加牢固不易分离，后期用于光催化时有利于电子的在纳米管内的流通提高光催化性能;交替的施加高低电压可以保证阳极氧化的有序进行，高电压条件下纳米管生长低电压条件下竹节状氧化膜层形成。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 钛和二氧化钛的性质

1．1．1 钛的性质

1．1．2 二氧化钛的性质

1．2 TiO2纳米管的应用简介

1．2．1 光解水制氢

1．2．2 太阳能电池

1．2．3 污水处理

1．2．4 锂离子电池

1．2．5 TiO2纳米管改性

1．3 阳极氧化方法介绍

1．3．1 阳极氧化原理概述

1．3．2 影响阳极氧化的主要因素

1．3．3 阳极氧化工艺流程

1．4 本课题的研究目的和研究内容

1．4．1 研究目的

1．4．2 研究内容

2 实验材料与方法

2．1 实验材料

2．2 实验仪器

2．3 实验研究方法

2．3．1 制备TiO2纳米管阵列工艺

2．3．2 微观结构分析

2．3．3 氧化层成分分析

3 单节点TiO2纳米管阵列的制备及影响因素

3．1 前言

3．2 实验过程

3．2．1 实验用纯钛样品的预处理

3．2．2 配置电解液

3．2．3 样品的制备

3．3 实验结果及讨论

3．3．1 单节点TiO2纳米管阵列的形成机理

3．3．2 电压对TiO2纳米管阵列的影响

3．3．3 电解液中水含量对纳米管阵列的影响

3．3．4 脉冲电压对纳米管阵列的影响

3．4 本章小结

4 多节点TiO2纳米管阵列的制备及形成机理

4．1 前言

4．2 实验

4．3 结果及讨论

4．3．1 样品的形貌分析

4．3．2 样品的物相分析

4．4 本章小结

5 竹节状TiO2纳米管阵列的制备及形成机理

5．1 前言

5．2 实验过程

5．3 实验结果及讨论

5．3．1 竹节状TiO2纳米管阵列的制备

5．3．2 竹节状TiO2纳米管阵列的形成机理

5．4 本章小结

结论

参考文献

致谢