文档介绍：二氧化钛复合纳米结构的制备和光电催化
性能研究
重庆大学博士学位论文
学生姓名:曹春兰
指导教师:王蜀霞教授
副导师:胡陈果教授
专业:凝聚态物理
学科门类:理学
重庆大学物理学院
二 O 一三年五月
Study of Preparation and Photoelectric
Catalysis Properties of posite
Nanostructures
A Thesis Submitted to Chongqing University
in Partial Fulfillment of the Requirement for the
Doctor‘s Degree of Science
By
Chunlan Cao
Supervised by Prof. Shuxia Wang
Assistant Supervised by Prof. Chenguo Hu
Specialty:Condensed Matter Physics
College of Physics of
Chongqing University, Chongqing, China
May, 2013
中文摘要
摘要
二氧化钛(TiO2)是一种重要的无机功能材料,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等领域已经受到越来越多的关注。然
而,TiO2是宽带隙半导体,只能被紫外光激发,且光生电子-空穴对容易复合,光
量子效率低,限制了其在光电催化领域的应用。因此,开发具有可见光响应的纳
米TiO2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。
尽管传统纳米粉末和纳米颗粒薄膜具有优异的性能,但它们易团聚且光电转
换效率低,因此在光电催化领域的应用受到限制,本文展开纳米材料的管/棒状阵
列的研究。采用阳极氧化法在钛片上成功制备了分布均匀、排列整齐有序的TiO2
纳米管阵列并在其上热沉积Pt纳米颗粒得到Pt/TiO2 NTs催化剂,对样品进行了形
貌、成分和结构的表征,并系统研究了Pt/TiO2 NTs对乙醇的电催化性能。采用水热
法制备得到了不同微观结构的TiO2纳米棒阵列,用不同方法在其上沉积CdS、Co3O4
和In2O3纳米颗粒,得到CdS/TiO2、Co3O4/TiO2、In2O3/TiO2复合纳米结构,并对这
些复合纳米结构的光电化学性能进行了系统研究。采用贵金属沉积和半导体复合
手段对金红石型的TiO2纳米棒阵列进行了改性,得到了CdS-Pt/TiO2光催化剂,研
究了可见光(或紫外光)辐照下,改性TiO2的光解水性能。本文的主要研究结果
如下:
1)采用阳极氧化法在钛片上成功制备了分布均匀、排列整齐有序的TiO2纳米
管阵列,利用XRD、FESEM、TEM、UV-vis和XPS等手段对样品进行了表征,详
细讨论了阳极氧化工艺对其形貌的影响,并对TiO2纳米管阵列形成机理进行详细
阐述。(第二章)
2)采用水热法在FTO上制备了TiO2纳米棒阵列,利用XRD、FESEM、TEM、
UV-vis和XPS等手段对制备的产物进行表征,系统地讨论了水热参数等对产物结构
和形貌的影响,得出了TiO2纳米棒阵列的生长规律。光电化学性能研究表明,TiO2
纳米棒阵列在光照瞬间产生光电流,20s左右达到稳定。TiO2纳米棒的一维结构能
为光生电子提供直线传输通路,促进光生电子-空穴对的分离。这种独特的棒状阵
列结构,具有大的比表面积,具有较好的光电性能,有望成为新一代的半导体电
极材料,具有良好的应用前景。(第三章)
3)以 TiO2 纳米棒阵列为载体,采用连续离子层吸附反应法在其表面沉积 CdS 纳
米颗粒,制备了 CdS/TiO2 复合纳米结构。FESEM 和 TEM 表征表明 CdS 纳米颗粒
为立方相,直径为 3-5nm,均匀地沉积在 TiO2 纳米棒表面上。经 CdS 量子点敏化
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后的纳米结构的光电化学性能大大提高,光电流密度达 ,是 TiO2 纳米
I
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棒产生的光电流的 5 倍。TiO2 纳米棒阵列,CdS 纳米颗粒和 CdS/TiO2 复合纳米结
构的光电流密度随电极电位的正移而增大,但 CdS/TiO2 复合纳米结构增大得更多,
表现出更高的光电化学性能。
以 TiO2 纳米棒阵列为载体,采用光化学沉积法在其表面负载 Co3O4