沿不同取向结晶的单晶二氧化钛纳米管阵列的制备及性能

发布时间：2020-07-29 10:57

【摘要】：TiO2纳米管阵列是一种一维材料,可以很好的提高入射光的吸收效率,减少散射,并且又是一种自下而上的纳米结构,有利于光生电子和空穴的转移,而且纳米管又具有较大的比表面积,因此在众多领域其具有广泛的应用前景。但是目前制备的TiO2纳米管大多为多晶结构,其光生电子和空穴容易在晶界处发生复合。因此需要用一种简单的方法来制备得到准单晶结构的TiO2纳米管阵列,然而目前的制备方法都比较复杂,且还没有明确的机理来阐述其形成过程。为了解决以上问题,本文在实验室原有制备TiO2纳米管阵列的基础上,以非晶TiO2纳米管为原材料,利用底部F-离子与TiO2的相互作用,改变热处理的升温速率,成功的制备得到了单晶结构的TiO2纳米管阵列。具体成果简述如下:(1)利用F-离子对无定形TiO2结晶温度的影响,通过调控热处理温度和升温速率,成功的制备了单晶结构的TiO2纳米管阵列。当缓慢升温时,TiO2纳米管上端的非晶TiO2还来不及自发结晶就会被底端优先结晶的锐钛矿TiO2诱导其结晶,因而形成了准单晶结构的TiO2纳米管阵列。并通过调控电解液中NH4F浓度的变化,利用锐钛矿(001)晶面和(101)晶面的选择竞争暴露,实现择优取向的调控。(2)将制备得到的准单晶结构Ti02纳米管进行了紫外光催化甲基橙的测试,发现样品ATONA0.5(S)具有最好的光催化性能,其反应常数K是多晶样品的1.93倍。并且也对准单晶样品ATONA0.5(S)和多晶样品ATONA0.5(R)进行了光电性能测试,发现样品ATONA0.5(S)具有更快的响应速度,其上响应和下响应时间分别为2.5 s和2.4s,远远低于样品ATONA0.5(R),并且样品ATONA0.5(S)具有更大的光暗电流比。(3)通过光催化氧化还原的方法成功的将FeOx和 Ag负载在TiO2纳米管表面,进一步提高了样品ATONA0.5(S)的光催化性能,再通过调控溶液的浓度和光照时间,得到了光催化性能最佳的样品Fe-50 mL/3 h和Ag-20 mL/1 h,其光催化性能分别提高了 30.73%和44.55%。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1;TQ134.11
【图文】：

对于Ｔｉ０２而言，其相结构是影响光催化性能的重要因素之一。Ｔｉ０２在自然界中逡逑主要有四种晶型，锐钦矿型（ａｎａｔａｓｅ）、金红石型（ｒｕｔｉｌｅ）、板钬矿型（ｂｒｏｏｋｉｔｅ）逡逑和Ｔｉ０２－Ｂ［２５］。表１．１是四种晶型的结构参数。由图１．１可知，四种晶型的Ｔｉ０２逡逑都是由Ｔｉ０６八面体组成，但是Ｔｉ０６八面体的空间排列是不同的，并且以不同的逡逑方式连接边和角；对于锐钛矿而言，八面体沿着（２２１）方向Ｚ字形排列，其中四逡逑条边是共享的。而金红石只有两条边共连，且平行于（００１）方向线性连接［２６］；对逡逑于板钛矿，则是共角和共边的连接方式［２７］；邋Ｔｉ０２－Ｂ主要来自层状的酞酸盐，因逡逑此，Ｔｉ０２－Ｂ的结构类似于层状前驱体的结构，而层状前驱体是由共边和共角的逡逑Ｔｉ０６八面体所组成［２８】。这些不同的晶相结构，导致了不同相态的质量密度和电逡逑子能带结构

列的制备方法，主要有水热法、模板法［４９＿５１］、静电纺丝［５３＿５４】和阳极氧化法逡逑［５５＿５７］。图１．４－１．７提供了用不同方法合成的二氧化钛纳米管所具有的典型形态和逡逑特征的概述。模板法（图１．５）使用的结构模板可能是单个高纵横比的分子（如纤逡逑维素）、分子棒状的结合物（如胶束）和有明确组织的纳米结构（如有序的多孔逡逑氧化铝），然后用各种沉积方法（例如溶胶－凝胶或原子层沉积（ＡＬＤ））涂覆逡逑或装饰这些模板以形成二氧化钬纳米管。当Ｔｉ０２在模板中或上时，可以直接使逡逑用这种复合结构，但是最常见的是将模板移除（选择性溶解，蒸发，分解）以形逡逑成“自由”纳米管，纳米管组件或管状粉末。无模板方法主要基于水解／溶剂热逡逑方法（图１．４）（其中通常将二氧化钛颗粒混入ＮａＯＨ溶液中，再用水热来形成钛逡逑酸盐单元，热处理后最终转化为二氧化钛纳米管形貌）或通过阳极氧化电解金属逡逑钛来形成规则的二氧化钛纳米管阵列，电解质一般选用稀氟化物。而其中电化学逡逑的方法（图１．６）来制备得到二氧化钛纳米管阵列具有其它方法难以相比的优势

＾邋＾ｉｈｉｃｋｎｃＮｓ邋２－８０ｎｍ逡逑｜４＃ｌ逦＊邋Ｄｉｒｅｃｔｌｙ邋ａｔｔａｃｈｅｄ邋ｔｏ邋ｔｈｅ邋ｍｅｔａｌ逡逑图１．６阳极氧化法制备Ｔｉ０２纳米管，其中（ａ）为合成路径示意图，（ｂ）为制备的纳米管的ＴＥＭ逡逑图，（ｃ）为阳极氧化法制备的Ｔｉ０２纳米管的典型特征［５５］逡逑Ｆｉｇ．邋１．６邋Ｔｉ0２邋ｎａｎｏｔｕｂｅｓ邋ａｒｅ邋ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ邋ｂｙ邋ａｎｏｄｉｃ邋ｓｅｌｆ－ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ，邋（ａ）邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ邋ｐａｔｈ，逡逑（ｂ）邋ｔｙｐｉｃａｌ邋ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ邋ｉｎ邋ＴＥＭ邋ｉｍａｇｅ，邋ａｎｄ邋（ｃ）邋ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ邋ｆｅａｔｕｒｅｓ邋ｏｆ邋Ｔｉ0２邋ｎａｎｏｔｕｂｅｓ邋ｆｏｒｍｅｄ邋ｂｙ逡逑ａｎｏｄｉｃ邋ｓｅｌｆ－ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ［５５］．逡逑Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ邋ｓｃｈｅｍｅ逦Ｔｙｐｉｃａｌ邋ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ逦Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ／邋ｒｅｍａｒｋｓ逡逑．Ｌ７－ａ邋Ｌ７．ｃ逡逑？ｅ逦—Ｔ？邋Ｓｉｎｇｌｅ邋ｌｕｂｅｓ邋ｏｒ邋ｌｏｏｓｅ邋ａｇｌｏｍｃｒａｔｃｓ邋ｏｆ逡逑ｌｕｂｅｓ邋ａｎｄ邋ｂｕｎｄｌｅｓ逡逑Ｐｍ邋ｐｖａ逦？邋Ｄｉａｍｅｔｅｒ：邋ｆｒｏｍ逦ｌｏ逡逑二＾＾＾邋丨朴。—暴逦？邋Ｌｃｎｇｌｈ：邋ｈｉｇｈ邋ｌｅｎｇｔｈ邋（ｃｏｎｔｉｎｏｕｓ逡逑｜邋［逦ｊ0Ｈ｜逦ｐ

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本文编号：2773872