TiO2纳米管、棒水热制备及其光电性能的研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 I 摘要为了使 TiO 2 能更好地应用于光电领域, 必须提高电子在 TiO 2 中的传输效率。一维纳米 TiO 2 材料能使电子传输更顺畅,有效提高电子传输效率。此外,对 TiO 2一维纳米物掺杂某些过渡金属,能提高其光吸收率,改善光电性能。本文采用水热法制备了掺 Cr 的 TiO 2 (Cr-TiO 2 )纳米管、纳米棒,并且在 FTO 导电玻璃上生长了 TiO 2 纳米棒阵列。利用场发射扫描电子显微镜( FESEM ) 、 X射线衍射( XRD )、透射电子显微镜( TEM ) 、 X射线光电子能谱( XPS )、紫外可见光光谱( UV-Vis )以及光电化学的方法对产物进行了表征,并研究了水热参数对产物的影响。首先,在 NaOH 溶液中采用水热法制备了掺 Cr 的 Cr-TiO 2 纳米管,其直径为 7 nm 左右, 长约 70 nm 。Cr-TiO 2纳米管是由锐钛矿相组成的单晶结构。紫外- 可见光光谱表明掺 Cr 量为 mol% 的纳米管对可见光的吸收率最大,且其光电化学性能优于纯 TiO 2 纳米管。其次,通过水热法和热处理制得表面含有纳米坑的掺 Cr 的 Cr-TiO 2纳米棒。 Cr-TiO 2 纳米棒是由锐钛矿相组成的单晶结构,纳米棒直径约 80 nm ,长度为 300 ~ 500 nm ,纳米坑形状多样, 尺寸为 10 ~ 20 nm 。XPS 测试表明,热处理后 Cr 元素以 Cr 2 O 3 的形式聚集在 TiO 2纳米棒表面。紫外- 可见光光谱表明,纳米坑加强了产物对近紫外光区的光吸收率,而掺 Cr 提高了对可见光的吸收。光电化学检测结果显示 3 mol% Cr-TiO 2 纳米棒薄膜呈现出比纯 TiO 2纳米棒薄膜和商业锐钛矿 TiO 2 颗粒薄膜更优异的光电化学性能。最后,在 HCl 溶液中先用水热法在 FTO 上生长了单晶金红石 TiO 2纳米棒阵列。研究表明, 产物形貌受水热参数的影响。然后通过水热后处理制得树枝状 TiO 2纳米棒阵列。树枝状 TiO 2 纳米棒阵列薄膜的光催化性能比 TiO 2纳米棒阵列薄膜更优异。这是由于三维树枝状结构能有效地散射入射光,从而提高薄膜对入射光的利用率。同时,树枝状 TiO 2纳米棒阵列薄膜具有较大的比表面积,能提供较多的反应活性点,从而提高光催化能力。关键词: 水热法, TiO 2 纳米管, TiO 2 纳米棒,掺 Cr , TiO 2 纳米棒阵列 TiO 2 纳米管、棒的水热制备及其光电性能研究 II Abstract To increase transportion efficiency of electrons in TiO 2 is important for enhancing TiO 2 properties in photoelectric field. It has been known that electrons can transport rapidly in one-dimensional TiO 2 nanomaterials. And one-dimensional TiO 2 nanomaterials doped with certain transitional metal elements have better photoele ctrochemical properties. Therefore, Cr-doped TiO 2 (Cr-TiO 2) nanotubes and nanorods were prepared by hydrothermal method in this work. Besides, TiO 2 nanorod arrays were hydrothermally grown on FTO substrate. The samples were characterized respectively by FESEM, XRD, TEM, XPS, UV-vis spectrum, and photoelectrochemistry methods. The influences of hydrothermal parameters on the morphology and property of the samples were also studied. Firstly, Cr-doped TiO 2 nanotubes with anatase single-crystalline structure were synthesized via hydrothermal method in NaOH solution.