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《浙江工业大学》 2012年
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二氧化钛复合薄膜构筑及光电化学性能

王春涛  
【摘要】:二氧化钛(TiO_2)具有化学性质稳定、抗光腐蚀、无毒和低成本等特点,在光电转换和光催化领域具有广阔的应用前景。然而,TiO_2的禁带宽度较大,只能被波长小于387 nm的紫外光激发,且光生电子和空穴易复合,限制了其在光电催化领域的应用。因此,开发具有高效可见光响应特性的TiO_2光催化剂并拓展其应用领域是当前光催化研究的重要任务。 针对TiO_2光催化领域存在的问题,本文以提高TiO_2的光催化活性及其在光电转换效率为研究目标,采用氮掺杂改性TiO_2光催化剂,并与NiO薄膜进行复合,制备了ITO/TiO__(2-x)N_x/NiO复合薄膜电极。采用金属钛阳极氧化法制备了TiO_2纳米管阵列并分别在其管内填充CdS和Ni(OH)2.,制备了TiO_2/CdS和TiO_2/Ni(OH)2复合薄膜。采用SEM、XRD、XPS和UV-Vis等对样品进行了表征,并对这些复合薄膜的光电化学性能进行了系统研究,获得以下结果: 1、分别采用溶胶-凝胶和磁控溅射两种方法,用ITO导电玻璃作为基底,制备氮掺杂二氧化钛薄膜(TiO__(2-x)N_x),然后采用化学沉积法在TiO__(2-x)N_x薄膜表面沉积多孔NiO薄膜,制备的ITO/TiO__(2-x)N_x/NiO复合薄膜具有较好的光电致变色特性和光能量储存能力。 采用溶胶-凝胶法制备氮掺杂TiO__(2-x)N_x薄膜,研究了原料摩尔比和热处理温度等对TiO__(2-x)N_x薄膜光电性能的影响。研究发现,不同摩尔比(尿素和钛酸丁酯)制备的TiO__(2-x)N_x光催化剂的吸收边均红移至450~600 nm范围,尤以摩尔比为4的样品最为明显。热处理温度也对TiO_(2-x)N_x薄膜的光电性能有明显影响, 400℃处理的ITO/TiO_(2-x)N_x与NiO复合制成的ITO/TiO_(2-x)N_x/NiO复合薄膜电极,在光照下具有可逆变色特性,薄膜颜色由无色变为棕色时,400 nm处透射率变化达到50%,在100 nA下放电时间为4.2 h。 采用磁控溅射法制备氮掺杂TiO_(2-x)N_x薄膜时,气体流量比为1:2且热处理温度为400℃条件下制备的TiO_(2-x)N_x薄膜和ITO/TiO_(2-x)N_x/NiO双层薄膜具有优异的光电流响应特性和光电致色特性。光照1 h后,该样品在500 nm波长处光透射变化率达82%,100 nA电流放电,放电时间约11.1 h,表明ITO/TiO_(2-x)N_x/NiO双层薄膜具有良好的光电转换特性和光能量存储特性。 在TiO_(2-x)N_x薄膜表面采用化学沉积法制备的NiO薄膜,具有多孔网状结构,有利于光生载流子的迁移和电解液的浸渍,光照过程中,TiO_(2-x)N_x受光激发产生空穴将NiO氧化为更高价的NiOOH,薄膜从无色变成棕色,可同时实现光充电和光致变色的作用。 2、采用阳极氧化法制备了TiO2纳米管阵列,并采用交流电沉积方法制备了CdS/TiO2光催化复合电极,研究了不同介质和工艺对TiO2纳米管阵列和CdS/TiO2光催化复合电极的微观形貌及光电催化特性的影响。研究发现,采用钛片为阳极,在NH4F和丙三醇水溶液中,制备的定向排列纳米管阵列,管内径50~100 nm,壁厚10 nm左右,纳米管长约1μm。CdS在TiO2纳米管阵列上的沉积状态和微观结构与沉积时间有密切关系。制备的CdS/TiO2复合薄膜电极在UV-Vis光照射下,光吸收边呈现出两种半导体材料的吸收特点,吸收边在385和520 nm之间,随着沉积时间增加,CdS/TiO2复合光催化剂光吸收边红移趋于增大。研究发现,沉积时间为3 min时制得的CdS/TiO2复合电极具有最佳的光电化学性能,在汞灯照射下对目标降解物甲基橙(MO)的降解性能也最佳。 3、采用电化学沉积法在TiO2纳米管阵列内沉积Ni(OH)2,制备了TiO_2/Ni(OH)_2复合电极,并对其光电催化、光致变色和光能量存储等进行了深入研究。研究结果表明TiO_2/Ni(OH)_2复合电极具有明显的可逆光致变色性能和光能量储存特性,光照2 h后,以100 nA电流进行放电,持续时间达19.4 h,呈现出良好的光能量存储特性。
【学位授予单位】:浙江工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:O614.411;TB383.2

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【参考文献】
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