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NiO/TiO_2纳米带异质结构的制备及其光催化性能的研究

林健健  
【摘要】:近年来,无机纳米晶体由于具有良好的结构、独特的光学、电学、磁学、化学等方面的性能和潜在的巨大应用价值而成为纳米材料领域的研究热点之一。自1991年日本学者饭岛澄男发现碳纳米管以来,一维纳米材料(纳米管、纳米棒、纳米线、纳米带、同轴纳米电缆和纳米线的异质结构)由于其独特的物理、化学和机械等性能引起了人们的广泛关注。一维纳米结构,由于具有高的比表面积和特殊的氧化物半导体特性,使得钛酸盐纳米结构和TiO_2纳米材料具有潜在的应用价值,例如广泛应用于光催化剂、锂离子电池、传感器、氢的生产与储存、太阳能电池及生物化学等领域。TiO_2由于本身具有价廉、无毒、稳定性好等优异性能以及高效的光催化性能而被广泛应用作光催化剂。许多研究报道了二维纳米结构、零维(量子点)及一维纳米结构等异质结构的制备及应用,这些材料显示出不同寻常的光学和结构特性。 TiO_2纳米带具有大的表面积,并且长径比很高,是一种极具前途的光催化材料。然而由于光活性点有限,并且光生电子-空穴对极易结合在一起,从而导致其光催化效率很低。本研究是在采用水热法制备了钛酸(H_2Ti_3O_7)纳米带、腐蚀的H_2Ti_3O_7纳米带、二氧化钛(TiO_2)纳米带以及腐蚀的TiO_2纳米带的基础上,分别利用化学共沉淀法、化学溶液沉积解析法将p-型NiO纳米颗粒负载在n-型TiO_2纳米带上形成NiO/TiO_2纳米带异质结构。这种异质结构纳米材料将广泛应用于光催化剂、气体传感器、太阳能电池和其它电子设备等领域。 本研究的主要内容和结论如下: (1)以商品级TiO_2(P-25)为原料,10 MNaOH溶液作为反应的溶剂,采用水热法合成钛酸(H_2Ti_3O_7)纳米带和二氧化钛(TiO_2)纳米带。 (2)经过0.02 M硫酸溶液腐蚀并且100℃热处理12 h后得到腐蚀的H_2Ti_3O_7纳米带,然后于600℃煅烧2 h得到腐蚀的TiO_2纳米带。 (3)通过在室温下降解甲基橙溶液对TiO_2纳米带和腐蚀的TiO_2纳米带的光催化性能进行了表征。实验证明,经过12 h腐蚀的TiO_2纳米带的光催化性能优于未腐蚀的纯TiO_2纳米带。 (4)在采用水热法制备了二氧化钛(TiO_2)纳米带的基础上,通过在TiO_2纳米带表面生长第二相(NiO),形成NiO/TiO_2纳米带异质结构。利用化学共沉淀法将p-型NiO纳米颗粒负载在n-型TiO_2纳米带上,合成出了纳米p-n异质结构NiO纳米颗粒/TiO_2纳米带(记为NiO NP/TiO_2 NB)。另外,将化学共沉淀法和酸腐蚀法相结合,制备了纳米p-n异质结构NiO纳米颗粒/腐蚀TiO_2纳米带(记为NiONP/TiO_2 SC NB)。 (5)在采用水热法制备了钛酸(H_2Ti_3O_7)纳米带和腐蚀的H_2Ti_3O_7纳米带的基础上,用化学溶液沉积解析法将p-型NiO纳米颗粒负载在n-型TiO_2纳米带上,合成出了纳米p-n异质结构NiO纳米颗粒/TiO_2纳米带(记为NiO NP/TiO_2 NBs)和纳米p-n异质结构NiO纳米颗粒/腐蚀的TiO_2纳米带(记为NiO NP/TiO_2 SC NBs)。 (6)对NiO/TiO_2纳米带异质结构在紫外、可见光下具有优异的光催化性能的原因进行了机理分析。腐蚀后的TiO_2纳米带具有大量的光催化活性表面以及纳米p-n结的作用,使得NiO/TiO_2纳米带异质结构光催化活性得到很大程度的提高。经过酸腐蚀的NiO NP/TiO_2 SC NBs增大了表面缺陷,提高了比表面积和活性表面积,这些导致了紫外光下高活性位点的形成,进而提高了TiO_2纳米带的光催化活性。


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