介孔TiO2纳米管阵列制备及其电化学性能

摘要

TiO2纳米管阵列因其独特物理化学性能、有序的纳米管状结构以及与基体良好的结合能力等特点，在生物传感器、光电化学和太阳能电池等领域具有广泛的应用。本论文采用化学腐蚀法在TiO2 NTAs表面构建介孔结构，并对其电化学性能及应用进行研究，具体内容如下:　　1.通过阳极氧化法制备TiO2 NTAs，采用化学腐蚀法（氢氟酸溶液）在纳米管表面构建介孔结构，探究不同氢氟酸浓度下制备的介孔TiO2 NTAs的影响，并探究介孔TiO2 NTAs的电化学性能。在介孔TiO2 NTAs表面固定葡萄糖氧化酶(GOx)，制备了GOx/TiO2 NTAs生物传感器，并对其传感器特性进行研究。通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、光电子能谱和电化学工作站对介孔TiO2NTAs形貌、元素价态和电化学性能进行了表征。通过比较不同条件下制备的介孔TiO2 NTAs与TiO2 NTAs的循环伏安曲线与电化学阻抗图谱，深入研究了介孔结构对TiO2 NTAs电化学性能的影响。较大的电化学活性面积以及较快的电子传输速率对提高介孔TiO2 NTAs的电化学性能具有显著地影响。应用于生物传感领域时，GOx/TiO2-0.5NTAs传感器对葡萄糖具有优异的电化学响应:响应电流在葡萄糖浓度为0.1～6 mM范围内保持良好的线性关系，灵敏度为0.92μA·mM-1·cm-2，是GOx/TiO2 NTAs传感器的14.3倍。　　2.采用阳极氧化法和化学腐蚀法相结合地方法，探究水热温度对制备介孔TiO2NTAs的影响，并对介孔TiO2 NTAs光电化学特性进行了研究。采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜和光电子能谱对介孔TiO2 NTAs形貌以及元素价态进行了表征。介孔TiO2 NTAs拥有较好的光电化学性能，最优化介孔TiO2 NTAs的光电流是未刻蚀TiO2 NTAs的光电流的3倍。电化学活性面积增大、光吸收加强以及电子传输速率加快是提高TiO2光电化学性能主要因素。　　3.将TiO2 NTAs置于Na2S溶液中进行硫化处理，对其光电化学性能进行了系统的研究。通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、光电子能谱和电化学工作站对硫化处理TiO2 NTAs形貌、元素价态和电化学性能进行了表征。采用循环伏安曲线、电化学阻抗图谱以及安培计时电流图谱，探究了硫化过程对TiO2 NTAs光电化学性能的影响。在水热温度为135℃，Na2S溶度为30mM的条件下，TiO2NTAs经硫化处理后最大的光电流可达到289μA，其值约为TiO2 NTAs光电流的3.3倍。硫化处理使TiO2 NTAs管壁上出现介孔结构而并非S元素掺杂，导致了TiO2 NTAs的光吸收性能增强、电化学活性面积增大以及电子传输速率加快，最终光电化学性能得以提升。　　4.采用阳极氧化法制备TiO2 NTAs，并在TiO2 NTAs中浸渍TiO2前驱体溶液，待其干燥后，在HF溶液中水热处理，以制备同质纳米晶修饰TiO2 NTAs，其晶相、形貌及成分分别由X射线衍射仪、扫描电子显微镜和X射线光电子能谱进行表征。TiO2 NTAs及其改性后的样品的光电化学性能分别由安培计时电流法和循环伏安法进行表征。其中浸渍时间为30min，水热时间为6h所制备样品具有最大的光电流，为370.1μA。结果表明，光吸收性能增强、电荷迁移率提升以及电化学活性面积增大是TiO2 NTAs光电化学性能提升的主要原因。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 TiO2纳米材料研究进展

1．2．1 纳米TiO2特点

1．2．2 纳米TiO2的应用

1．2．3 TiO2纳米管阵列的特点及制备方法

1．2．4 TiO2纳米管阵列的应用及改性

1．3 介孔纳米材料的研究进展

1．3．1 介孔纳米材料的结构特点及优势

1．3．2 介孔纳米材料的应用

1．3．3 介孔结构的构建方法

1．4 本论文研究思路

第二章 实验部分

2．1 实验原材料、规格和生产厂家

2．2 实验的仪器和分析设备

2．3 TiO2 NTAs的制备

2．4．1 介孔TiO2 NTAs用于生物传感器件样品制备

2．4．2 介孔TiO2 NTAs用于光电化学器件样品制备

2．5 TiO2 NTAs的硫化处理工艺

2．6 同质纳米晶修饰TiO2 NTAs工艺

2．7 样品结构、形貌表征

2．8 葡萄糖生物传感器电化学性能测试

2．9 光电化学性能测试

第三章 介孔二氧化钛纳米管阵列的构建及其电化学性能与生物传感器应用

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 介孔TiO2 NTAs的制备

3．2．2 介孔TiO2 NTAs的表征

3．2．3 介孔TiO2 NTAs的电化学性能测试

3．2．4 GOx的固载及葡萄糖检测

3．3 结果与讨论

3．3．1 TiO2 NTAs晶体结构、成分与形貌表征

3．3．2 TiO2 NTAs与介孔TiO2 NTAs的电化学性能表征

3．3．3 GOx修饰电极的电化学性能表征

3．3．4 修饰电极对葡萄糖的响应特性表征

3．4 本章小结

第四章 介孔二氧化钛纳米管阵列光电化学特性及其机理探究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 介孔TiO2 NTAs的制备

4．2．2 介孔TiO2 NTAs的表征

4．2．3 介孔TiO2 NTAs的光电化学性能测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 介孔TiO2 NTAs晶体结构、成分与形貌表征

4．3．2 TiO2 NTAs与介孔TiO2 NTAs光电化学性能表征

4．4 机理探究

4．4．1 光吸收性能表征

4．4．2 电化学阻抗表征

4．4．3 电化学活性面积表征

4．5 本章小结

第五章 二氧化钛纳米管阵列表面硫化处理及其光电化学特性

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 TiO2 NTAs硫化处理工艺

5．2．2 硫化处理的TiO2 NTAs表征

5．2．3 硫化处理的TiO2 NTAs光电化学性能测试

5．3 结果与讨论

5．3．1 光电化学性能表征

5．3．2 硫化处理的TiO2 NTAs形貌、成分及结构表征

5．4 机理探究

5．4．1 光吸收性能表征

5．4．2 电子传输速率表征

5．4．3 电化学活性面积表征

5．4 本章小结

第六章 同质纳米晶共修饰二氧化钛纳米管阵列及其光电化学性能

6．1 引言

6．2 实验部分

6．2．1 同质纳米晶修饰TiO2 NTAs工艺

6．2．2 同质纳米晶修饰TiO2 NTAs表征

6．2．3 同质纳米晶修饰TiO2光电化学性能测试

6．3 结果与讨论

6．3．1 同质纳米晶修饰TiO2 NTAs结构、成分与形貌表征

6．3．2 同质纳米晶修饰TiO2 NTAs光电化学性能表征

6．4 机理探究

6．4．1 光吸收性能表征

6．4．2 电化学阻抗表征

6．4．3 电化学活性面积表征

6．5 本章小结

第七章 全文总结与展望

7．1 全文总结

7．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间学术活动及成果情况