TiO纳米管阵列阳极氧化法制备、改性及光电催化性能研究

摘要

TiO2纳米管阵列在光催化降解污染物、光解水制氢和太阳能电池等领域有着潜在而诱人的应用价值。本论文详细研究了TiO2纳米管阵列的阳极氧化法制备，对制备出的TiO2纳米管阵列进行半导体纳米颗粒的修饰改性研究，用方便快捷的超声法制备出分别沉积有TiO2和CdS的纳米晶的复合TiO2纳米管阵列，并对纯的和复合的TiO2纳米管阵列进行了较为系统的光电催化性能研究，取得了如下重要的实验结果：
　　 (1)用阳极氧化法在钛片基底上制备出高度有序、管长和孔径等尺寸可控的TiO2纳米管阵列；采用改进的二次生长的途径，制备了无基底的TiO2纳米管阵列；TiO2纳米管阵列的晶型可用低温退火的方法进行控制，如500℃退火处理可获得具有高催化活性的锐钛矿为主的混晶结构。
　　 (2)以甲基橙的降解为例，对TiO2纳米管阵列的光电催化性能进行了系统的评估，发现TiO2纳米管阵列具有比水热法制备的TiO2纳米管和商用TiO2纳米颗粒(P25)更优越的光电催化性能。多次重复催化降解实验表明，TiO2纳米管阵列具有良好的重复使用性。
　　 (3)采用高效率的超声沉积法将PEG包裹的锐钛矿TiO2纳米晶沉积到TiO2纳米管阵列的孔道内，沉积时间仅10s，且沉积后的纳米管并未发生堵塞、塌陷等现象。发现TiO2纳米管阵列沉积了TiO2纳米晶后，光电流密度明显高于未沉积样品，且对甲基橙的光电催化效率提高了10％。
　　 (4)为了实现TiO2纳米管阵列对可见光的相应，采用了超声反应沉积法将可见光敏化剂CdS纳米颗粒组装到TiO2纳米管内和表面上，发现纳米管吸收光谱从387nm红移到535nm，因而可应用于可见光的光催化和敏化太阳能电池。沉积时间仅20s,大大简化了反复浸入法。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2纳米TiO2的性质和结构

1.2.1 TiO2的基本性质

1.2.2 TiO2的晶体结构

1.2.3 TiO2纳米管的制备方法

1.2.4 TiO2光催化剂的应用

1.3纳米TiO2的光电催化研究

1.3.1 TiO2的能带结构

1.3.2 TiO2的光电催化机理

1.3.3 TiO2的光电催化反应动力学

1.4纳米TiO2光催化性能的优化

1.4.1离子掺杂

1.4.2表面贵金属沉积

1.4.3表面光敏化

1.4.4半导体复合

1.5实验的目的、意义及内容

1.5.1实验的目的及意义

1.5.2实验的内容

第二章TiO2纳米管阵列的制备及表征

2.1引言

2.2实验内容

2.2.1试剂与仪器

2.2.2钛片的预处理

2.2.3实验装置

2.3.4 TiO2纳米管阵列的制备

2.2.4 TiO2纳米管阵列的退火处理

2.2.5无基底TiO2纳米管阵列的制备

2.3结构和性质的表征

2.4结果与讨论

2.4.1 TiO2纳米管阵列形貌

2.4.2元素组成分析

2.4.3氧化时间的影响

2.4.4阳极电压的影响

2.4.5电解液温度的影响

2.4.6退火温度对形貌的影响

2.4.7退火温度对晶型的影响

2.4.8 TiO2纳米管阵列吸收光谱

2.4.9 TiO2纳米管生长机理的讨论

2.4.10无基底TiO2纳米管阵列的表征与分析

2.5小结

第三章TiO2纳米管阵列光电催化降解甲基橙研究

3.1引言

3.2实验内容

3.2.1试剂与仪器

3.2.2光电催化装置

3.2.3 TiO2纳米颗粒膜的制备

3.2.4 TiO2纳米管薄膜的制备

3.2.5工作电极的制备

3.2.6光电催化实验

3.3甲基橙降解率的计算

3.4结果与讨论

3.4.1不同降解方式的对比实验

3.4.2不同形貌TiO2光电催化降解对比

3.4.3不同晶型TiO2纳米管阵列降解对比

3.4.4不同长度TiO2纳米管阵列降解对比

3.4.5不同外加偏压的影响

3.4.6不同pH值的影响

3.4.8不同支持电解质浓度的影响

3.4.7不同初始浓度的影响

3.4.9 TiO2纳米管阵列重复性

3.4.10反应参数的优化

3.5小结

第四章TiO2纳米颗粒对TiO2纳米管阵列的改性及光电催化性能研究

4.1引言

4.2实验内容

4.2.1试剂与仪器

4.2.2水溶性TiO2纳米颗粒的制备

4.2.3 TiO2纳米管阵列掺杂水溶性TiO2颗粒

4.3光电流密度测量

4.4结果与讨论

4.4.1形貌表征分析

4.4.2元素组成分析

4.4.3晶体类型分析

4.4.4光电流密度分析

4.4.5光电催化分析

4.5小结

第五章CdS/TiO2纳米管阵列的制备及表征

5.1引言

5.2实验内容

5.2.1试剂与仪器

5.2.2 CdS/TiO2纳米管阵列制备

5.3结果与讨论

5.3.1形貌表征分析

5.3.2元素组成分析

5.4.3吸收光谱分析

5.4小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的科研成果

致谢