含卤素离子电解液中TiO 纳米管的阳极氧化制备及其机理

摘要

高比表面积和特殊结构所衍生的突出物理化学特性使TiO2纳米管薄膜在光催化、气敏、光解水和光伏等应用领域具备极大的应用潜力，因此制备性能优异的TiO2纳米管薄膜以及发掘其应用潜力正成为一个研究热点。 阳极氧化，作为一种简单易行的电化学方法，已经被广泛用于制备各种阀金属（Ti、Zr、Nb、W、Ta和Hf）以及铝的氧化物纳米管或纳米多孔薄膜。 本文利用钛在含卤素离子溶液中的阳极氧化，进行TiO2 纳米管制备的研究。 并通过扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和X 射线衍射(XRD)等多种表征方法，研究纳米管的形貌和晶型以及阳极氧化机理，以期为优化阳极氧化制备TiO2纳米管工艺提出指导。利用钛的阳极氧化，成功地在含氟离子电解液中制备了TiO2纳米管。 对钛在有机溶液中制备的纳米管形貌的研究表明，纳米管的管壁厚度从管底部到管顶部（开口处）逐渐变薄。这一现象被认为由纳米管在含氟溶液中的化学溶解引起。同时观察到纳米管表面覆盖着纳米线层，并认为厚度最薄的纳米管顶部在表面应力作用下破裂成纳米线。 通过考察制备参数对钛片表面的点蚀和纳米管形成过程的影响，探讨了在含氯离子电解液中二氧化钛纳米管的形成机制。本文认为，只有适量Cl2的产生才会导致纳米管的形成。同时发现，在含氯离子水溶液中阳极氧化时，表面上各个区域内的点蚀和纳米管并非同时发生。同时我们认识到，纳米管产生导致的应力使得纳米管的形貌和取向有所变化。也正是由于纳米管的形成顺序不同，不同取向的纳米管出现在表面。 在对含卤素离子电解液中阳极氧化研究的基础上，使用了两步阳极氧化法和乙醇浴法制备了无支撑纳米管。并对两步阳极氧化法的机制进行了讨论。利用乙醇浴法获得的具有规则结构的基体，再次在相同条件阳极氧化，使得钛表面生成了纳米多孔二氧化钛。最后，利用无支撑纳米管薄膜，通过XRD和TEM的观察，研究了纳米管的晶型，结果表明：第三代纳米管是有锐钛矿和非晶TiO2组成的混晶结构。