阳极氧化工艺制备TiO_2纳米管阵列及其性能研究

发布时间：2017-07-15 19:12

  本文关键词：阳极氧化工艺制备TiO_2纳米管阵列及其性能研究

  更多相关文章： 半导体 TiO_2纳米管 可控制备 光催化性能

【摘要】：半导体材料具有优异的特性：热敏性、光敏性和可掺杂性,这三大特性决定了半导体材料具有优异的光电性能。TiO2作为一种典型的N型半导体,同样具有优异的光电性能,从而引起了科学工作者的广泛关注。Ti02优良的物理化学性能使其在光催化、气敏传感和光电转换等领域具有广阔的应用前景,而Ti02纳米管相较于Ti02颗粒具有更小的颗粒尺寸和更大的比表面积,其光电性能更加优良。Ti02纳米管的制备方法有模板辅助合成法、水热合成法和阳极氧化法。其中,阳极氧化法具有操作方便简单、成本低,制备的Ti02纳米管呈高度有序的阵列式排布,且Ti02纳米管粘结在基板上便于回收再利用等优点,得到研究者们的广泛关注。然而,与普通的Ti02材料类似,Ti02纳米管同样存在禁带宽度大而致使其对太阳能利用率较低的缺陷,因而需要对其进行改性以改善其禁带宽度大的缺陷,拓展其应用领域。本文采用阳极氧化工艺制备出形貌可控的TiO2纳米管阵列,并对其进行稀土离子(La3+、Er3+)掺杂和非金属元素(C)修饰改性,具体内容如下：(1)采用阳极氧化工艺将Ti基体置于含有F的7二醇电解液中制备出一维纳米结构的Ti02纳米管阵列,利用X射线衍射仪(XRD)和场发射扫描电镜(FESEM)研究样品的结构和形貌,用EDS能谱仪对样品进行微区成分定性和半定量分析,用紫外可见分光光度计测试样品对紫外、可见光波段的吸收。探讨了电解液F浓度、阳极氧化电压、阳极氧化时间、热处理温度等制备参数对Ti02纳米管阵列结构和形貌的影响,通过制备参数的微区调控实现了TiO2纳米管阵列的可控制备。发现F浓度是影响TiO2纳米管阵列形貌的主要因素；阳极氧化电压主要影响Ti02纳米管内径,纳米管内径随阳极氧化电压的增加而增大；阳极氧化时间同样对Ti02纳米管阵列的形貌有影响；而热处理温度的增加会加速晶粒的长大,对Ti02的晶型起到决定性作用。Ti02纳米管阵列的最佳制备参数为：电解液F浓度5 wt%；阳极氧化电压30V；阳极氧化时间1h；热处理温度450℃。最佳条件下制备的Ti02纳米管阵列的管径70-100 nm,管长2.12μm。制备的Ti02纳米管阵列对紫外光的吸收较强,对可见光的吸收较弱。Ti02纳米管阵列对亚甲基蓝的光降解率在240 min时达92%,几乎是P25的两倍,具有良好的光催化性能。(2)选用La(NO3)3·6H2O作为La3+源,配置一定La3+浓度的电解液,利用阳极氧化工艺在含有La3+的电解液中成功制备了La3+掺杂的TiO2纳米管阵列。发现La3+的掺杂会降低Ti02纳米管阵列的有序度,使得TiO2纳米管管口变得粗糙,但La3+掺杂浓度在一定范围内对Ti02纳米管阵列形貌的影响不大。XRD结果显示：La3+掺杂对Ti02纳米管阵列的结构没有明显的影响,这可能是由于La3+掺杂量较少并不足以被XRD检测到引起的。EDS结果显示：少量La3+成功掺入Ti02纳米管阵列中,La3+的相对原子质量百分比和相对原子数百分比分别为3.09%和0.76%。UV-vis结果表明掺杂La3+的TiO2纳米管阵列对400-800 nm波段可见光的吸收明显增强,La3+掺杂TiO2纳米管阵列在240 min时对亚甲基蓝的光降解率可以达到91.9%,相对同一批次测试样品中没有掺杂La3+的TiO2纳米管阵列提高了3.1%,表明适量La3+的掺杂能够提高Ti02纳米管阵列的光催化性能。(3)选取Er(NO3)3·6H2O作为Er3+源,配置一定Er3+浓度的电解液,利用阳极氧化工艺在含有Er3+的电解液中制备出Er3+掺杂的Ti02纳米管阵列。发现Er3+的掺杂同样会降低Ti02纳米管阵列的有序度。XRD结果显示：掺杂Er3+的Ti02纳米管阵列的衍射峰发生左移,说明Er3+成功掺入Ti02晶格中。EDS结果表明：少量Er3+成功掺杂进入Ti02纳米管阵列中,Er3+的相对原子质量百分比和相对原子数百分比分别为2.94%和0.56%。紫外可见吸收光谱表明：掺杂Er3+的Ti02纳米管阵列对400-800 nm范围可见光的吸收大幅度提高,Er3+掺杂浓度为3 mg/mL时,TiO2纳米管阵列的禁带宽度为2.87 eV,说明Er3+的掺杂会降低TiO2的禁带宽度。当Er3+掺杂浓度为1 mg/mL时,制备出的TiO2纳米管阵列的光催化性能最好,此时对亚甲基蓝的光降解率为95.2%,相对于同一批次测试样品中没有掺杂Er3+的TiO2纳米管阵列提高了4.9%,表明适量Er3+的掺杂能够大幅度提高TiO2纳米管阵列的光催化性能。(4)采用阳极氧化工艺制备出TiO2纳米管阵列,然后将TiO2纳米管阵列置于一定浓度的尿素溶液中静置一段时间,蒸发掉其中的水分,置于N2保护气氛管式炉中,350℃煅烧2h后得到C修饰的TiO2纳米管阵列。发现C改性会影响TiO2纳米管阵列的形貌,改性后TiO2纳米管的管口变得粗糙。当尿素浓度过大时,样品表面看不到TiO2纳米管阵列,TiO2纳米管阵列表面覆盖一层C膜。XRD结果显示：C改性后的TiO2纳米管阵列结晶度增加,促进了TiO2纳米管在(002)晶面上生长。EDS结果表明：少量C成功进入Ti02纳米管阵列中,C的相对原子质量百分比和相对原子数百分比分别为4.95%和10.85%。紫外可见光谱表明：C改性后的TiO2纳米管阵列对可见光的吸收有大幅度提高,当尿素浓度为20 wt%和40 wt%时,制备的TiO2纳米管阵列的禁带宽度分别为2.50 eV和2.11 eV。说明C改性可以显著降低Ti02的禁带宽度,从而提高TiO2纳米管阵列对可见光的吸收。C改性后的Ti02纳米管阵列对亚甲基蓝的光降解率提高,当尿素浓度为20 wt%时,TiO2纳米管阵列的光催化性能最好,相对于同一批次测试样品中没有C改性的TiO2纳米管阵列提高了7.9%。当尿素浓度升高至40 wt%时,样品的光催化性能反而下降,说明适量的尿素浓度会提高TiO2纳米管阵列的光催化性能。总之,利用阳极氧化工艺制备的TiO2纳米管阵列排列高度有序,具有优异的光催化性能。稀土离子La3+、Er3+能够提高TiO2纳米管阵列的光催化性能,C改性同样有助于TiO2纳米管阵列光催化性能的提高。
【关键词】：半导体 TiO_2纳米管 可控制备 光催化性能
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ134.11;TB383.1
【目录】：

• 作者简介6-7
• 摘要7-9
• ABSTRACT9-15
• 第一章 绪论15-27
• §1.1 半导体材料简介15-19
• 1.1.1 半导体材料的种类及特性15-18
• 1.1.2 半导体材料发展简史18-19
• §1.2 TiO_2简介19-21
• 1.2.1 TiO_2结构与性质19-20
• 1.2.2 TiO_2光催化机理20-21
• §1.3 TiO_2纳米管21-25
• 1.3.1 TiO_2纳米管制备方法22-23
• 1.3.2 TiO_2纳米管改性研究23-24
• 1.3.4 TiO2纳米管的应用研究24-25
• §1.4 本论文研究内容及意义25-27
• 第二章 实验部分27-33
• §2.1 实验试剂及实验仪器27-28
• 2.1.1 实验试剂27
• 2.1.2 实验仪器27-28
• §2.2 实验方案28-30
• §2.3 样品表征30-33
• 2.3.1 场发射扫描电镜(Field Emission Scanning Electron Microscope)30-31
• 2.3.2 X-射线衍射(X-ray Diffraction)31
• 2.3.3 紫外-可见吸收光谱(Ultraviolet and Visible Spectroscopy)31
• 2.3.4 光催化性能测试(Photocatalytic Activity Test)31-33
• 第三章 阳极氧化工艺制备TiO_2纳米管阵列33-43
• §3.1 引言33
• §3.2 TiO_2纳米管阵列的形貌与结构分析33-35
• 3.2.1 FESEM分析33-34
• 3.2.2 XRD分析34-35
• §3.3 TiO_2纳米管阵列形貌的影响因素35-38
• 3.3.1 电解液F浓度35-36
• 3.3.2 阳极氧化电压36
• 3.3.3 阳极氧化时间36-37
• 3.3.4 热处理温度37-38
• §3.4 EDS能谱分析38-39
• §3.5 UV-vis表征39
• §3.6 光催化性能研究39-40
• §3.7 阳极氧化工艺制备TiO_2纳米管阵列生长机理研究40-41
• §3.8 本章小结41-43
• 第四章 La~(3+)掺杂TiO_2纳米管阵列的制备43-49
• §4.1 引言43
• §4.2 La~(3+)掺杂TiO_2纳米管阵列的形貌与结构分析43-45
• 4.2.1 FESEM分析43-44
• 4.2.2 XRD分析44-45
• §4.3 EDS能谱分析45-46
• §4.4 UV-vis表征46-47
• §4.5 光催化性能研究47
• §4.6 本章小结47-49
• 第五章 Er~(3+)掺杂TiO_2纳米管阵列的制备49-54
• §5.1 引言49
• §5.2 TiO_2纳米管阵列的形貌与结构分析49-51
• 5.2.1 FESEM分析49-50
• 5.2.2 XRD分析50-51
• §5.3 EDS能谱分析51
• §5.4 UV-vis表征51-52
• §5.5 光催化性能研究52-53
• §5.6 本章小结53-54
• 第六章 C修饰改性TiO_2纳米管阵列54-60
• §6.1 引言54
• §6.2 TiO_2纳米管阵列的形貌与结构分析54-56
• 6.2.1 FESEM分析54-55
• 6.2.2 XRD分析55-56
• §6.3 EDS能谱分析56-57
• §6.4 UV-vis表征57
• §6.5 光催化性能研究57-58
• §6.6 本章小结58-60
• 第七章 结论60-62
• §7.1 本论文结论60-61
• §7.2 不足61-62
• 致谢62-63
• 参考文献63-69

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本文编号：545329