文档介绍：分类号 TB 383 密级
U D C 单位代码 10359
学号 2007010036
学位论文
TiO2 纳米管阵列的沉积改性与物性研究
盘荣俊
指导教师姓名吴玉程教授
申请学位级别工学博士专业名称材料学
论文提交日期 2010 年 9 月论文答辩日期 2010 年 12 月
学位授予单位和日期合肥工业大学
答辩委员会主席李晓光教授
评阅人谢长生教授陈小华教授
2010 年 9 月
合肥工业大学
博士学位论文
TiO2 纳米管阵列的沉积改性与物性研究
作者姓名: 盘荣俊
申请学位: 工学博士
指导教师: 吴玉程教授
专业: 材料学
研究方向: 纳米结构与纳米功能材料
合肥工业大学
2010 年 9 月
A Dissertation
Submitted to Hefei University of Technology
for the Degree of Doctor of Philosophy
Functionalization of Titanium Dioxide Nanotube
arrays vir Depositing and the Performances
By
Pan Rongjun
Supervised by Prof. Wu Yucheng
Hefei University of Technology
Hefei, Anhui,
September, 2010
摘要
由于在半导体光电解水制氢、传感器、染料敏化电池、光催化还原 CO2 制碳氢燃料、光
催化降解有机污染物及储氢等方面有极大的潜在应用,高度有序的 TiO2 纳米管阵列薄膜已经
引起了国内外极大关注。然而,TiO2 纳米管阵列自身的不足决定了只有对它实施功能化改性
才能够实现其效用的最大化。获得具有预期结构的 TiO2 纳米管阵列是改性的前提;选择合适
的材料对纳米管阵列实施改性,是实现 TiO2 纳米管阵列效用最大化的基础;对改性材料实施
可控沉积,是提升性能的关键。
本文通过探索阳极氧化电流密度与纳米管阵列形貌的关系,制备了具有预期结构的 TiO2
纳米管阵列;通过把握 CdS 及 CdSe 在 TiO2 纳米管内的沉积机理,分别实现了 CdS、CdSe 及
(CdS + CdSe)在纳米管内的可控沉积;通过探索沉积条件对 Pt 在 TiO2 纳米管阵列上沉积效
果的影响,实现了 Pt 对 CdSe/ CdS/TiO2 体系的沉积改性。主要研究结果如下:
1、制备 TiO2 纳米管阵列时,电流密度过小,则所得到的膜厚度小、有序度低、管状结构
差;电流密度过大时,虽然膜的厚度更大些,但纳米管状结构凌乱、有序性下降。当电流密
2
度为~ mA/cm 时,所制备的 TiO2 纳米管阵列有序度更高、管壁厚度均匀、膜厚度大。
2+
2、以化学沉积的方式将 CdS、CdSe 沉积在 TiO2 纳米管内时,Cd 浓度不同,则 CdS 与
CdSe 在纳米管内的沉积机理不同:当浓度小的时候,TiO2 纳米管壁上的晶格缺陷将诱导异相
成核反应发生,生成的晶核通过与管壁接触来降低成核界面能,因此形成的 CdS 和 CdSe 附着
在纳米管壁上,沉积材料生长的方向指向纳米管中央;当浓度大的时候,瞬时生成的、大量
的晶核缩短了晶核间距,导致了更多有效碰撞,因而晶核极易团聚长大并在重力的作用下沉
降,沉积材料生长的方向指向纳米管壁和管口。沉积机理的把握为在纳米级空间内进行材料
可控构筑提供了很好的实验依据。
3、对于以 CdS 和 CdSe 改性的 TiO2 纳米管阵列而言,改性体系在紫外光区到可见光区的
光吸收随着 CdS、CdSe 在 TiO2 纳米管内沉积的量的增加而显著增强,体系的光学能带隙逐渐
下降;体系的光电性能随着沉积的 CdS、CdSe 的量先增加然后下降,即改性材料的光电性能
不仅依赖于体系产生的电子—空穴对的数量,也依赖于光生电子—空穴对及时、有效地分离
和导出。
4、对 TiO2 纳米管实施 CdS-CdSe 共沉积改性时发现,在纳米级的空间内发生的反应有别
于传统器皿中的反应,此时离子从纳米管外向纳米管内迁移的过程成了反应的控制步骤。共
改性体系的光电流随着 CdS 和 CdSe 层厚度的增加先增强,然后下降——从改性体