改性TiO2纳米管阵列光阳极的制备及其光电化学性能研究

摘要

近年来，二氧化钛作为一种重要的光电化学材料，由于其光电化学性能优良，电子传输速率快，价格便宜，制备简单，毒性低等优点，在催化治理环境问题、太阳能敏化电池、光解水制氢气等方面应用广泛。本论文通过两次阳极氧化法制备高度有序的二氧化钛纳米管阵列，利用脉冲电沉积法在TiO2上分别沉积Ga2O3、MgO和MgTiO3，从而实现了对半导体改性。并进一步对其光电化学性能和光电化学（PEC）阴极保护性能进行了研究。主要内容如下： （1）采用常规一次阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列，将制备的阵列放入一定浓度的盐酸溶液中超声去除，得到均匀凹坑的Ti基底。在此基础上进行第二次阳极氧化，制备出的TiO2纳米管阵列高度有序，管壁较薄，管口较大。其光电化学性能相比一次阳极氧化TiO2纳米管阵列提升了0.5倍，为之后的氧化物沉积提供更好的模板基底。 （2）为了进一步提升 TiO2 NTs的光电化学性能，采用脉冲电沉积法制备Ga2O3/TiO2纳米管阵列，改变沉积次数和退火温度，光电化学性能呈现出一定规律。最佳沉积次数和退火温度制备的Ga2O3/TiO2纳米管阵列，在没有破坏高度有序的阵列结构的基础上，载流子密度大大提高；其光电流密度是两次阳极氧化纯TiO2纳米管阵列的1.5倍，有效的改善了光电化学性能。 （3）为了进一步提高TiO2 NTs的光电化学阴极保护性能，利用Mg的氧化物对 TiO2纳米管阵列进行沉积改性。发现退火温度对修饰材料的形貌有较大影响，同时在600℃时出现了MgO、金红石TiO2和锐钛矿TiO2三相共存的现象。光电阴极保护性能测试显示，在模拟太阳光（100mW，AM1.5G）的照射下，通过MgO/TiO2 NTs与304不锈钢光电极耦连，瞬态电流密度达到0.25 mA/cm2，稳定后仍达到0.07 mA/cm2，是TiO2纳米管阵列的7倍以上；光电阴极保护OCP负移至-420 mV，为纯TiO2纳米管阵列的2倍。 （4）进一步提高退火温度达到700℃，制备了MgTiO3/TiO2 NTs类核壳异质结纳米管阵列复合结构。在模拟太阳光（100 mW，AM1.5G）照射和0 V偏压的条件下，MgTiO3/TiO2 NTs与304不锈钢光电极耦连，光致电流密度可以达到两次阳极氧化TiO2纳米管阵列的8倍以上，而光电阴极保护OCP负移至-470 mV，为TiO2纳米管阵列的3倍。 实验结果表明，利用脉冲沉积法在TiO2纳米管阵列上沉积金属氧化物具有可行性，通过调节沉积次数和退火温度，可以很好的改善半导体材料的光电化学性能和光电阴极保护性能，并对不同氧化物的改性机理进行了进一步探究。

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