Ti3SiC2表面TiO2纳米阵列的制备与光吸收特性研究

摘要

阳极氧化法作为一种能够对纳米材料进行可控制备、简单快速的方法，成为国内外的研究热点。三元层状化合物Ti3SiC2结合了金属和陶瓷的诸多优良性能，如金属的良好导电性、导热性能和易切削加工性；陶瓷的高杨氏模量、抗热震性、抗氧化性和抗腐蚀性等性能，而被广泛应用。本论文采用热压烧结法制备Ti3SiC2，利用阳极氧化法，在Ti3SiC2表面制备出TiO2纳米孔阵列，在Ti表面制备出TiO2纳米管阵列。通过多种表征手段，研究了氧化工艺参数对纳米阵列形成和表面形貌的影响，及热处理温度对相组成、表面形貌和光吸收特性的影响，记录了阳极氧化过程的电流-时间曲线，并对比分析了阳极氧化Ti3SiC2和Ti制备TiO2纳米阵列。
　　(1)采用阳极氧化法在Ti3SiC2表面制备出TiO2纳米孔阵列，结果表明：含水量影响阳极氧化速率，当含水量为5.0vol％时，高度有序的TiO2纳米孔阵列形成；随着NH4F浓度的增加，纳米孔径没有明显变化，当浓度为3.0wt%时，形成离散的TiO2纳米管；当氧化电压过高时，TiO2纳米孔阵列的形貌遭到破坏，出现腐蚀形貌；随着氧化时间的延长，由于Ti3SiC2基底独特的结构，会出现过腐蚀和脱落现象。
　　(2)热处理温度对阳极氧化Ti3SiC2试样相组成、表面形貌和光吸收特性有一定的影响。当热处理温度为500℃时，TiO2由无定型态转变为锐钛矿型，当热处理温度增加到600℃时，部分锐钛矿型TiO2向金红石型TiO2转变；同时，由于结晶化和相转变导致的晶粒尺寸和体积的变化，使TiO2纳米阵列表面形貌呈海绵状；阳极氧化Ti3SiC2试样的氧化产物为TiO2、Ti2O3和SiO2；阳极氧化Ti3SiC2试样对紫外-可见波段光的吸收能力且呈线性函数减小，随着热处理温度的增加，吸收能力降低。
　　(3)采用阳极氧化法在Ti表面制备出TiO2纳米管阵列，结果表明：随着含水量的增加，排列有序的纳米孔阵列形成，但过多的水含量导致纳米孔阵列表面出现少量纳米颗粒；NH4F浓度对纳米孔径没有明显影响，当浓度大于2.5wt%时，化学溶解速率迅速增大，出现大量的纳米颗粒，以及过腐蚀形貌；随着氧化电压的升高，纳米管的内径和长度增大，但管壁没有明显的变化。
　　(4)热处理温度对阳极氧化Ti试样相组成和光吸收特性有一定的影响。随着热处理温度的增加，TiO2由无定型态转化成锐钛矿型，随之向金红石型转变，且其氧化产物只有TiO2；随着热处理温度的增加，阳极氧化Ti试样对紫外-可见波段光的吸收能力有所降低，但在整个紫外-可见区域的基本趋势相同，在紫外光波段内具有较强的吸收能力，当波长大于387nm左右后，其吸收能力很低。
　　(5)相同氧化工艺参数下，阳极材料的结构和组成对TiO2纳米阵列表面形貌、氧化产物和光吸收特性有显著影响。在Ti3SiC2表面形成纳米孔阵列，而在Ti表面形成纳米管阵列；阳极氧化Ti3SiC2试样的氧化产物有锐钛矿型和金红石型混合晶型的TiO2，及少量Ti2O3和SiO2，而阳极氧化Ti试样的氧化产物只有混合晶型的TiO2；阳极氧化Ti3SiC2试样的紫外-可见漫发射吸收光谱发生了红移，吸收边为691nm，禁带宽度为1.79eV，而Ti试样的吸收边为394nm，禁带宽度为3.15eV。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 TiO2的基本性质

1.3 TiO2纳米管的制备方法

1.4 阳极氧化制备TiO2纳米管的研究现状

1.5 TiO2纳米管的改性

1.6 本课题的研究目的、意义及研究内容

2 实验部分

2.1 实验试剂及设备

2.2 实验方法

2.3 实验表征方法

3 阳极氧化Ti3SiC2制备纳米孔阵列

3.1 氧化工艺条件对表面形貌的影响

3.2 热处理温度对相组成和表面形貌的影响

3.3 化学组成和氧化态分析

3.4 紫外-可见漫反射吸收光谱分析

3.5 电流-时间曲线分析

3.6 本章小结

4 阳极氧化Ti制备纳米管阵列

4.1 氧化工艺条件对表面形貌的影响

4.2 热处理温度对相组成的影响

4.3 化学组成和氧化态分析

4.4 紫外-可见漫反射吸收光谱分析

4.5 电流-时间曲线分析

4.6 本章小结

5 阳极氧化Ti3SiC2和Ti的对比分析

5.1 Ti3SiC2的晶体结构

5.2 表面形貌对比分析

5.3 氧化产物对比分析

5.4 光吸收特性对比分析

5.5 本章小结

6 结论

参考文献

附录 硕士研究生期间发表论文

致谢