TiO2纳米管阵列的制备与修饰及光电催化性能研究

摘要

二氧化钛纳米管阵列(TiO2-NTs)作为光催化材料受到了广泛的关注，因为其特殊的管状结构和大的比表面积，能够提供更多的反应活性位和电荷迁移和转换的通道，使得光催化效果显著提高。然而由于TiO2吸收光谱较窄、太阳能利用率低、电子与空穴复合几率高等降低了其实用价值。目前解决这一问题的主要方法是对TiO2-NTs掺杂和表面修饰，将光催化和电化学技术相结合，采用光电催化技术使其性能得以充分发挥。基于此，本文致力于TiO2纳米管阵列的制备与表面修饰改性，以期得到可见光响应的半导体材料，考察其光电催化降解有机污染物的性能。研究的主要内容和结果如下:
　　 首先，以阳极氧化法制备TiO2-NTs，通过控制工艺条件，如氧化电压、生长时间和煅烧温度等对TiO2-NTs结构进行调控，并讨论其表面结构、管长和结晶状况对TiO2-NTs光电催化降解甲基橙(MO)的性能影响。结果表明电化学阳极氧化法制得的TiO2纳米管阵列膜具有优异的光电催化性能，其催化活性是光催化的3倍，大的比表面积和适度的管长以及高度结晶的锐钛矿相是影响催化活性的三个重要因素。
　　 其次，采用控制电势的脉冲沉积法制备Au修饰的TiO2阵列异质结杂化体，讨论了脉冲沉积电势和脉冲沉积时间对Au/TiO2表面形貌的影响，研究其降解高浓度染料罗丹明B和苯酚的光电催化性能。结果表明通过改变脉冲峰值电势、沉积时间可以制得粒径小且高度分散均匀的Au修饰的TiO2阵列，所得的Au/TiO2-NTs具有优异的光电催化性能。
　　 最后，采用一种新型方法，即电沉积-离子交换法(CEDIE)制备超细CdS量子点修饰的TiO2纳米管阵列复合材料。通过可见光下光电催化降解甲基橙水溶液为探针反应，讨论不同CdS修饰量、不同电解质浓度对降解性能的影响。与传统制化学浴沉积法作比较，此法得到的CdS量子点高度分散在TiO2纳米管表面，而非团聚在管口，具有更强的可见光吸收，更高的电流密度和光电催化降解甲基橙的活性。这是由于电沉积-离子交换法得到的材料CdS和TiO2之间具有更强的结合力和形成更均匀的异质结有利于光吸收和电荷分离，从而具有较高的光电催化活性。