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TiO_2基纳米管的制备、改性及性能研究

张芬  
【摘要】:能源和环境问题给人类社会的可持续发展提出了严峻挑战,其中能源问题是关键。当前,直接将太阳能转换成电能和利用太阳能光解水制氢是最有希望的两个研究方向,其中,开发高效、廉价的实用型光电极材料至关重要。近年来,通过阳极氧化法制备的TiO_2纳米管阵列,因其具有良好的有序结构、更大的比表面积和更强的吸附能力,在太阳能利用领域的应用具有明显优势。但作为TiO_2来说,其缺点是具有较宽的禁带宽度,只能吸收太阳光中3- 5%左右的紫外线,而太阳光中近45%的可见光在处理污染物中却得不到有效利用,因此太阳能的利用率较低,这就限制了其实际使用范围。如何提高TiO_2的光催化效率以及拓展TiO_2吸收光谱到可见光区是光催化研究领域最具挑战性的两大课题。所以对这种特殊纳米结构的构筑、半导体复合以及染料敏化研究已经成为科学界研究的热点。另外,以具有独特结构的TiO_2纳米管作为模板来制备其他功能纳米材料也吸引了国内外众多研究者的目光。围绕着这些问题,我们主要开展了以下工作: (1)利用阳极氧化法制备了形貌可控的TiO_2纳米管阵列,研究了以丙三醇、乙二醇为主要溶剂的电解液体系中纳米管的生长,并详细考察了阳极氧化电压、氧化时间以及电解液中不同水含量对于纳米管微观形貌的影响;利用XRD、FESEM、HRTEM、UV-vis吸收光谱等手段表征了纳米管的微观结构、物相以及晶体的生长。测试结果表明:在以丙三醇为主要溶剂中制备的TiO_2纳米管具有特殊的“竹节”状形貌,“竹节”的大小和相邻“竹节”之间的距离受阳极氧化电压和电解液中醇水体积比的影响;以乙二醇为主要溶剂中制备的TiO_2纳米管不具备“竹节”结构,管壁表面光滑平直。通过控制阳极氧化参数,可以制备出纳米线与纳米管并存的微观结构。 (2)利用浸渍法对TiO_2纳米管进行Cr_2O_3复合,通过考察浸渍参数得出最优浸渍时间;通过UV-vis吸收光谱和光电催化性能分析其在可见光下的光吸收性能和光电化学性能;考察了光电催化实验中有机物乙二醇的添加对于TiO_2纳米管阵列薄膜及Cr_2O_3复合的TiO_2纳米管阵列薄膜的电子-空穴复合的影响。结果表明:经过Cr_2O_3复合的TiO_2纳米管阵列薄膜在可见光区域的光吸收显著增强,其在可见光下的光电化学性能大幅提高。随着电解液中乙二醇的添加,复合前后的TiO_2纳米管阵列的光电流都有较大提高。 (3)通过简单易操作的冷凝缩聚工艺合成了一种新型的卟啉衍生物敏化剂,并与商品级的N719敏化剂做对比,结果显示合成的卟啉化合物在DSSC方面显示出有效的敏化效果,虽然没有商品级的N719效率高,但因其不含贵金属,制备成本低而显示出可观的价值。 (4)结合CHI压电式喷射仪和SECM研究了SECM技术应用于快速筛选敏化剂的工作,并通过阵列试样的SECM扫描结果和大块材料的光电化学性质对比验证了该技术应用于快速扫描染料的可行性和准确性。试验结果表明:该技术是一种准确的快速筛选高效敏化剂的新颖手段。 (5)结合阳极氧化法和水热法以TiO_2纳米管作为模板在其表面制备了形貌独特的钙钛矿功能材料。通过对水热反应条件及其试样的SEM结果分析得出:水热反应中NaOH碱液的浓度对所制备的CaTiO_3材料的微观形貌起决定性作用;此外,生物相容性的试验结果说明所制备的CaTiO_3材料能够诱导磷灰石的形成,这为生长仿生物膜提供了有效的途径和办法。 (6)将阳极氧化制备的TiO_2膜与超疏水表面结合起来,利用低表面能材料在所制备的TiO_2功能表面构筑超疏水膜,AFM、XPS等试验结果表明低表面能材料被成功的自组装于TiO_2表面;利用电化学极化曲线和电化学阻抗谱对超疏水表面在海水中的耐腐蚀性能进行了表征和研究,结果显示超疏水表面对TiO_2功能表面在海水中的耐腐蚀能力有很大的提高作用,并且其耐久性和稳定性非常优越。


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