新型纳米有序阵列的调控制备及其光电化学特性研究

发布时间：2017-07-18 02:08

  本文关键词：新型纳米有序阵列的调控制备及其光电化学特性研究

  更多相关文章： 氧化物纳米有序阵列 阳极氧化 原位自组装掺杂 氢化 光电化学性质

【摘要】：氧化物纳米有序阵列因其高度有序的纳米结构和优异的物理化学性能在光催化、光解水制氢和太阳能电池等方面具有广阔的应用前景。但是TiO2纳米管阵列只能吸收紫外光,Fe2O3纳米管阵列虽具有较强的光吸收能力,但载流子易复合,这些都阻碍了其进一步应用。而现有改性方法的可操作性较差,太阳光利用率依然很低,需要探索新的改性方法改善其光电化学性质。本课题采用阳极氧化过程中原位自组装掺杂和表面氢化处理两种改性策略调控制备新型氧化物纳米有序阵列,揭示生长规律并研究其光电化学特性,探究光电转换机理。首先通过阳极氧化法在一定的电解液中,以金属或合金片(Ti、Ti-0.2Pd、Fe-0.5Ti)为阳极,石墨为阴极,在一定条件下调控生长得到不同的纳米管阵列(Nanotube Arrays,简称NTAs),并对TiO2 NTAs和Ti-Pd-O NTAs进行表面氢化处理。然后通过SEM、EDS、XRD及XPS等表征手段来揭示其形貌、结构和物相组成的变化,通过光吸收及光电化学性质研究其性能的改变,研究发现:(1)金属Ti在0.5wt%NH4F+0.1mol/L H3PO4电解液中,20V下,反应1h生长出管径85nm,630nm长的TiO2 NTAs,550℃热处理后含有少量金红石相的锐钛矿相的纳米管阵列的光电特性最好,最大光电流密度为0.53mA/cm2,最高光转化效率约0.38%。以此为前驱体进行氢化研究发现,在450℃,时间为3h,在氢气浓度为0.3atm的条件下于450℃氢化3h光电性能最佳,最大光电流密度为1.4mA/cm2,最大光转化效率达到1.16%,分别为氢化前的2.64倍和3倍。(2)钛合金Ti-0.2Pd在0.5wt%NH4F+0.1mol/L H3PO4电解液中,经20V,1h时的阳极氧化得到内径90nm、壁厚14nm和管长600nm的Ti-Pd-O NTAs,550℃处理后光电性能最好,光电流密度为0.66mA/cm2,光转化效率达到0.48%。以此为前驱体对其进行进一步表面氢化改性,氢化温度为400℃时,Ti-Pd-O NTAs的光电流密度达到0.92mA/cm2,最大光转化效率达到0.66%,是未氢化Ti-Pd-O NTAs的1.4倍,是未氢化TiO2 NTAs的1.7倍。(3)钛合金Ti-0.2Pd在0.5wt%NH4F+3.0vol%H2O的乙二醇电解液中,经30V,12h阳极氧化,550℃热处理后得到的Ti-Pd-O NTAs具有较好的光电化学性质,最大光电流密度为0.62mA/cm2,最大光转化效率是0.46%。以此为前驱体,在氢化温度为500℃时,光电流密度达到0.75mA/cm2,最大光转化效率达到0.66%,是未氢化Ti-Pd-O NTAs的1.4倍,是未氢化TiO2 NTAs的1.9倍。(4)在0.3wt%NH4F+3.0vol%H2O的乙二醇中阳极氧化生长Fe-Ti-O NTAs,在50V,15min时得到内径约35nm,管长约1.6μm相对较好的形貌。经400℃热处理后,含有少量Fe3O4的Fe2O3 NTAs具有较好可见光吸收,光电性质较好,光响应电流密度为0.03mA/cm2,Ti4+作为施主缺陷形成捕获中心,促进了光电性质的提升。通过原位自组装掺杂和表面氢化两种改性方式发现一定温度下的表面氢化能够有效的提高纳米有序阵列的光电化学性质,主要是由于形成了氧空位和表面无序能够增加载流子密度,提高光生电子和空穴的传输效率。原位自组装掺杂能够形成杂质能级而提高其性能,两种改性方法具有一定的协同效应。本课题通过原位自组装掺杂和表面氢化对纳米有序阵列进行改性,其光电化学性质有一定的提高,促进了半导体材料在光电器件中的应用。
【关键词】：氧化物纳米有序阵列 阳极氧化 原位自组装掺杂 氢化 光电化学性质
【学位授予单位】：河南工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 引言12-21
• 1.1 纳米有序阵列的制备12-14
• 1.1.1 模板法13
• 1.1.2 水热法13
• 1.1.3 阳极氧化法13-14
• 1.2 纳米有序阵列的改性14-18
• 1.2.1 纳米有序阵列的原位自组装掺杂15-16
• 1.2.2 纳米有序阵列的表面氢化16-17
• 1.2.3 纳米有序阵列的共掺杂17-18
• 1.3 纳米有序阵列的应用18-20
• 1.3.1 光催化18
• 1.3.2 光解水制氢18-19
• 1.3.3 太阳能电池19
• 1.3.4 超级电容器与锂电池19-20
• 1.3.5 敏感器件20
• 1.4 本课题研究目的与意义20-21
• 2 试验设计与方法21-29
• 2.1 研究内容与技术路线21-22
• 2.1.1 研究内容21
• 2.1.2 技术路线21-22
• 2.2 试验材料与设备22-23
• 2.2.1 试验药品22
• 2.2.2 试验设备22-23
• 2.3 试验步骤23-26
• 2.3.1 TiO_2 NTAs的制备与氢化23-25
• 2.3.2 H_3PO_4体系中Ti-Pd-O NTAs的制备与氢化25
• 2.3.3 乙二醇体系中Ti-Pd-O NTAs的制备与氢化25-26
• 2.3.4 Fe-Ti-O NTAs的制备26
• 2.4 样品的表征26-27
• 2.4.1 扫描电镜(SEM)26
• 2.4.2 X射线能量色散谱(EDS)26
• 2.4.3 X射线衍射(XRD)26-27
• 2.4.4 X-射线光电子能谱(XPS)27
• 2.5 样品性能测试27-29
• 2.5.1 光吸收测试27
• 2.5.2 光电化学特性27-29
• 3 TiO_2 NTAs的制备与氢化研究29-39
• 3.1 TiO_2 NTAs制备与表征29-32
• 3.1.1 SEM分析29-30
• 3.1.2 XRD分析30-31
• 3.1.3 光电化学性质31-32
• 3.2 氢化TiO_2 NTAs的表征32-38
• 3.2.1 氢化参数的确定32-34
• 3.2.2 氢化TiO_2 NTAs的表征34-38
• 3.4 小结38-39
• 4 H_3PO_4体系中Ti-Pd-O NTAs的制备与氢化研究39-53
• 4.1 Ti-Pd-O NTAs的制备39-47
• 4.1.1 电压对Ti-Pd-O NTAs的影响39-41
• 4.1.2 时间对Ti-Pd-O NTAs的影响41-42
• 4.1.3 Ti-Pd-O NTAs的生长机理42-43
• 4.1.4 XRD表征43-44
• 4.1.5 紫外-可见光吸收性质44
• 4.1.6 光电化学性质44-47
• 4.2 氢化Ti-Pd-O NTAs制备及光电性质研究47-51
• 4.2.1 XRD分析47-48
• 4.2.2 光电化学性质48-49
• 4.2.3 SEM分析49-50
• 4.2.4 XPS分析50-51
• 4.2.5 紫外-可见光吸收性质51
• 4.3 小结51-53
• 5 乙二醇体系Ti-Pd-O NTAs的制备与氢化研究53-65
• 5.1 乙二醇体系Ti-Pd-O NTAs的制备53-59
• 5.1.1 电压对Ti-Pd-O NTAs的影响53-54
• 5.1.2 时间对Ti-Pd-O NTAs的影响54-55
• 5.1.3 XRD分析55-56
• 5.1.4 紫外-可见光吸收性质56-57
• 5.1.5 光电化学性质57-59
• 5.2 氢化Ti-Pd-O NTAs制备与研究59-64
• 5.2.1 XRD分析60
• 5.2.2 光电化学性质60-62
• 5.2.3 SEM表征62
• 5.2.4 XPS表征62-63
• 5.2.5 紫外-可见光吸收性质63-64
• 5.3 小结64-65
• 6 Fe-Ti-O NTAs的制备研究65-72
• 6.1 制备参数对Fe-Ti-O NTAs的影响65-71
• 6.1.1 电压对Fe-Ti-O NTAs的影响65-66
• 6.1.2 时间对Fe-Ti-O NTAs的影响66-67
• 6.1.3 搅拌方式对Fe-Ti-O NTAs的影响67-68
• 6.1.4 XRD表征68
• 6.1.5 XPS分析68-69
• 6.1.6 紫外-可见光吸收性质69-70
• 6.1.7 光电化学性质70-71
• 6.2 小结71-72
• 结论与展望72-74
• 参考文献74-80
• 致谢80-81
• 个人简历、攻读学位期间发表的学术论文和研究成果81

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本文编号：555541