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《复旦大学》 2014年
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Fe改性TiO_2及其光催化与光电化学性能研究

陈希  
【摘要】:TiO2作为一种环境友好、廉价易得的n型半导体材料,以其良好的化学、热稳定性,无毒性,一直是光催化、光电领域的研究热点,在染料敏化太阳能电池、光催化降解水和空气污染物、光催化分解水制氢等领域具有广阔应用前景。尤其在环境问题日益凸显,能源问题愈发严峻的当今社会,利用光能转化为化学能、电能,处理环境污染、开发清洁能源被视为解决这些问题的最有效途径之一。TiO2作为在这一领域有良好表现的半导体材料,有着十分重要的研究意义。然而为尽可能的提高光能的转化效率,TiO2带隙较宽、光生电子-空穴易复合等影响其性能发挥的缺陷需要被克服,研究工作者一直针对这些方面进行着不懈努力。对改善TiO2性能的尝试涵盖了掺杂、复合、敏化等手段。其中,由于具有相近的离子半径,匹配的电位,Fe离子被视作一种有效的过渡金属离子掺杂剂;Fe的氧化物(Fe2O3)则作为具有合适的能级结构,并且带隙较窄(2.2eV)的n型半导体,通常被用来合成与TiO2的复合材料,以扩展TiO2的光响应范围。本文利用不同铁源对TiO2纳米管薄膜、粉体进行了改性的尝试,希望通过简便、安全、快捷的方式,合成改性TiO2半导体材料。论文主要研究结论如下:1.利用“火热法”制备嵌碳TiO2微球技术,一步合成Fe掺杂的C-TiO2复合材料。配制钛酸四丁酯和无水乙醇的混合溶液,通过直接点燃,对燃烧产物简单研磨,得到可直接使用的TiO2光催化材料。XRD谱图显示,样品的锐钛矿晶型并未因体系中Fe的引入而破坏,适当浓度的掺杂更有利于锐钛矿晶型形成。由SEM图观察到,前驱体体系中不同铁源的引入对材料形貌有很大影响,无机铁源(FeCl3)的引入使微球形貌几乎完全破坏,而有机铁源(乙酰丙酮铁)的引入对微球形貌影响不大。XPS测试结果反映了Fe在嵌碳TiO2体系中的存在形式为进入晶格替代Ti离子。UV-vis DRS光谱显示,样品在可见光区的吸收强度随掺杂比例增加而提高。对样品光照下降解亚甲基蓝测试结果做动力学分析可知,以FeC3做铁源时,可见光下降解速率提高了14%;以乙酰丙酮铁做铁源时,紫外-可见光下降解速率提高了22%。2.采用阳极氧化方法制备Fe改性TiO2纳米阵列。分别在电解液中加入无机铁源FeCl3与Fe(NO3)3,对纳米管薄膜同步改性,通过紫外-可见光、可见光下光电流密度的测试,探索此改性方法对半导体薄膜光电性能的影响。实验结果发现,低浓度的FeCl3 (0.01M)可造成Ti基底的严重腐蚀,难以制备Fe改性的样品。对电解液中加入Fe(NO3)3所制成样品进行光电性能测试,发现Fe(NO3)3浓度为0.01M时所制得的样品,在紫外-可见光下的光电流密度提高了一倍,可见光下光电流密度提高了50%。对各样品进行EIS测试,Nyquist曲线反映,电解液中Fe(NO3)3浓度为0.01M、0.03M时,阻抗半径小于未改性TiO2薄膜电极,即电荷界面转移电阻减小。而电解液中Fe(NO3)3浓度升至0.05M时,薄膜电极阻抗值相对于未改性样品增大。分析样品的Mott-Schottky曲线可知,随Fe(NO3)3浓度提高,平带电位产生负移再正移的变化趋势。3.利用Ti02纳米管的大比表面积和对小粒子良好的吸附特性,通过浸渍-焙烧法,以蓝黑墨水为铁源,对半导体薄膜进行改性。通过控制不同的浸渍时间(lOmin,30min,90min)与热处理温度(450℃,550℃)等实验条件,制备了多组Ti02纳米管薄膜。对其进行光电性能测试,发现经蓝黑墨水处理的样品均在紫外-可见光,可见光下发生光电流密度的衰减。由于蓝黑墨水成分复杂,其他物质可能在浸渍-焙烧过程中聚集于Ti02管口,阻碍了纳米管对光的吸收,或进入TiO2晶格,破坏了晶型,从而降低了TiO2纳米管薄膜的光电响应能力。以FeCl3为前驱体,采用浸渍-焙烧法制备的Fe改性半导体薄膜,尽管在可见光下显示了与Ti02薄膜相近的响应能力,其紫外-可见光下电流密度急剧降低。这可能是因为,TiO2纳米管与Fe203之间未能形成致密的连接层,导致了电子传输的不畅,从而引起薄膜光电流密度的衰减。
【学位授予单位】:复旦大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TN304.2

【参考文献】
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