学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

功能导向纳米TiO_2及其复合体系的可控合成及性能

作　者: 周艺
导　师: 黄可龙
学　校: 中南大学
专　业: 应用化学
关键词: 纳米TiO2功能材料可控合成光电性能
分类号: TB383.1
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
下　载: 633次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

TiO2半导体纳米功能材料由于独特的光学、电学、磁学、催化与化学特性,在光电子技术领域起着越来越重要的作用,因而被广泛应用于太阳能转换、光致发光、光催化与纳米电子学等方面。纳米TiO2的合成、表征与改性已经成为TiO2半导体功能材料光电化学与光催化的核心内容,TiO2纳米材料的功能化研究一直是其应用基础研究领域的热点。针对具有重要应用背景的TiO2纳米功能材料,进行维度、尺寸、形貌与组分的综合控制以及机理研究,通过不同的制备方法来获取各种功能导向的TiO2纳米材料具有重要意义。基于此,我们展开了TiO2纳米功能材料的研究工作,通过溶胶-凝胶法、水热法、阳极氧化法以及模板法等不同的合成手段制备了不同形貌和功能的纳米TiO2材料,研究了不同形貌TiO2纳米材料(如纳米颗粒、纳米管、纳米纤维及纳米阵列薄膜)的可控合成及功能化改性影响。对上述目标合成物通过X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)和紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis)等手段进行表征。采用自制的光催化反应系统对其光催化活性进行了评价；组装了TiO2染料敏化太阳能电池(DSSC),采用1.5AM的Newport太阳模拟光源测试其光电转换性能。有关研究工作如下：制备了系列掺杂的TiO2纳米颗粒、纳米纤维及纳米管,对功能掺杂TiO2纳米材料的可控制备及性能进行了深入研究。实验发现,掺杂适量稀土RE(RE为Pr,La,Gd,Ho,Nd)能够显著提高纳米TiO2的光催化活性,其催化活性与RE性质、掺杂方式及掺杂量有关,其中适量Gd掺杂样品在自然光下具有更强的催化活性；采用水热法制备了管径约为5nm,壁厚为1nm的Gd3+掺杂及B3+掺杂的TiO2纳米管,并对其微观形貌、晶型结构及光吸收性等进行表征分析,同时研究了制备工艺中的各种影响因素；以碳酸钾和二氧化钛为原料,用两步合成法,掺杂适量的Gd3+,制得掺杂的四钛酸钾纤维前驱体,在甘油溶剂中加热回流合成锐钛矿型的Gd3+掺杂TiO2纳米纤维,纤维平均长度为几十微米,直径为50nm左右,实验结果表明,Gd3+掺杂的TiO2纤维具有较高的光催化活性,自然光下对甲基橙的降解率可达70%以上；用溶胶-凝胶法制备Gd／N双元素共掺杂的纳米TiO2复合光催化材料,自然光下甲基橙为目标降解物,评价了Gd／N双元素共掺杂纳米TiO2的光催化活性,结果表明：Gd／N双元素掺杂样品为锐钛型结构,颗粒平均粒径为13nm左右,样品在可见光范围内光响应增强,Gd、N共掺杂具有协同效应,比较了几种不同的掺杂方式对Gd／N共掺杂纳米TiO2的光催化活性的影响,其中以尿素为氮掺杂源所得Gd／N共掺杂样品有较高的光催化活性,其对甲基橙的降解率达92%。在阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列实验中,通过控制一定反应条件在纯钛表面获得了结构规整有序的纳米管阵列；在氧化过程中加入硝酸锌,控制反应条件,使纳米管负载一定量Zn2+,考察了氧化电压、温度、时间、pH值、电解液浓度及Zn2+负载等对纳米管的形貌和尺寸的影响。通过电化学工作站扫描纳米管生长过程中电流-时间曲线,对纳米管的生长过程进行量化监控,研究其生长机理；用XRD表征TiO2纳米管阵列的晶型；SEM表征纳米管阵列的形貌；交流阻抗(EIS)研究材料的光电性能。结果表明：在pH值为1,HF浓度为0.5wt%,电压为20V,氧化温度为20℃等条件下氧化2h,所得TiO2纳米管阵列晶型为锐钛型,管长70-100nm、管壁厚约10nm,管径分布均匀,无坍塌现象；交流阻抗(EIS)结果表明：Zn2+的载入减少了界面之间的阻抗,使得载流子的流动更加迅速,有利于提高光电性能。研究了PS模板法制备稀土掺杂TiO2基纳米多孔阵列薄膜。通过控制反应条件,如苯乙烯单体浓度、引发剂浓度以及表面活性剂浓度制备粒径不同、大小均一的胶体颗粒以获取具有一定孔隙结构的模板,然后采用溶胶-凝胶工艺进行组装,获得了稀土掺杂TiO2基纳米多孔阵列薄膜,并对有序多孔TiO2薄膜结构的影响因素进行了分析。结果表明,在制备过程中控制稀土掺杂浓度、占据位(晶格位、间隙位)以及TiO2前驱体的浓度可以获得高功能有序多孔TiO2薄膜。采用电化学分析测试系统对样品进行光电活性分析,分析了掺杂与TiO2多孔基质相互作用的本质因素,并用此薄膜材料组装了染料敏化太阳能电池,在模拟太阳光下进行了光电性能测试。结果表明：掺杂0.5%Gd3+的纳米TiO2在紫外及可见光区的吸收均有所增强。光电性能测试结果表明,掺杂0.5%Gd3+的有序多孔TiO2薄膜电极的短路电流为0.618mA,开路电压为0.538V,均比纯TiO2薄膜电极及有序多孔纯TiO2薄膜电极有所提高,而0.5%Gd3+、0.3%La3+共掺杂有序多孔TiO2薄膜电极由于Gd3+、La3+二者的协同作用,光电性能更优,其短路电流为0.696mA,开路电压为0.539V。分别用水热法和溶胶-凝胶法制备了Gd3+和Eu3+共掺杂纳米TiO2/MWCNT(multi-walled carbon nanotube)复合光催化剂,用SEM、TEM、FL(光致荧光光谱仪)对光催化剂进行表征,以甲基橙为目标降解物对催化剂进行活性评价。结果表明：水热法制得的复合光催化剂样品中,TiO2颗粒基本均匀分布在碳纳米管上,同时,其光催化活性也比溶胶-凝胶法制得的样品高；Gd3+和Eu2+共掺杂能有效提高其光催化活性,当Gd3+和Eu2+掺杂量为分别为0.1%和1.0%时,TiO2／MWCNT复合光催化剂具有较高的光催化活性。上述研究结果极有可能推进TiO2光电性能的提升和突破,深入研究纳米TiO2的制备工艺及其功能化改性,探讨掺杂离子与基质的作用机制,有望为探索纳米材料基质与界面中电子的传输行为、光电特性等物理性质的尺寸和维度效应等提供新的思路和理想的研究系统,同时本文的研究成果可有望为绿色能源TiO2染料敏化太阳能电池的研制以及TiO2光催化应用提供理论依据及技术支持。

全文目录

摘要  3-6
ABSTRACT  6-13
第一章绪论  13-34
  1.1 前言  13-14
  1.2 TiO_2纳米半导体性质  14-20
    1.2.1 纳米半导体材料  14-15
    1.2.2 TiO_2半导体材料性质  15-20
  1.3 纳米TiO_2功能材料的合成方法  20-24
    1.3.1 溶胶-凝胶法  20-21
    1.3.2 水热法  21-22
    1.3.3 模板法  22-23
    1.3.4 阳极氧化法  23-24
  1.4 TiO_2纳米材料功能化改性及应用研究  24-27
    1.4.1 TiO_2的晶型及晶粒尺寸对光电性能的影响  25
    1.4.2 表面修饰对光电性能的影响  25-26
    1.4.3 掺杂对光电性能的影响  26-27
    1.4.4 复合半导体对光电性能的影响  27
  1.5 TiO_2功能材料的主要应用研究  27-30
    1.5.1 光催化降解污染物  27-28
    1.5.2 染料敏化太阳能电池  28-30
  1.6 论文的主要研究内容和意义  30-34
第二章功能掺杂TiO_2纳米材料可控制备及性能研究  34-58
  2.1 前言  34-35
  2.2 实验部分  35-40
    2.2.1 仪器与试剂  35-36
    2.2.2 制备实验  36-39
    2.2.3 表征  39-40
    2.2.4 光催化测试  40
  2.3 结果与讨论  40-56
    2.3.1 掺杂TiO_2纳米粉体的表征及光催化活性  40-49
    2.3.2 B~(3+)/Gd~(3+)掺杂TiO_2纳米管形貌分析  49-51
    2.3.3 Gd掺杂TiO_2纳米纤维的制备及影响因素  51-56
  2.4 本章小结  56-58
第三章 TiO_2基纳米管阵列薄膜的制备及性能研究  58-76
  3.1 前言  58-62
    3.1.1 阳极氧化法制备TiO_2纳米管  59-61
    3.1.2 TiO_2纳米管阵列的应用  61-62
  3.2 实验部分  62-66
    3.2.1 实验试剂与仪器  62-64
    3.2.2 TiO_2纳米管阵列的制备实验  64-65
    3.2.3 TiO_2纳米管阵列的表征及光电化学性能测试  65-66
  3.3 结果与讨论  66-74
    3.3.1 TiO_2纳米管阵列的XRD分析  66-68
    3.3.2 TiO_2纳米管阵列SEM表征  68-72
    3.3.3 TiO_2纳米管阵列的光电性能测试分析  72-74
  3.4 本章小结  74-76
第四章基于DSSC功能的TiO_2有序多孔阵列薄膜研究  76-98
  4.1 引言  76
  4.2 聚苯乙烯(PS)胶晶模板法  76-79
  4.3 PS模板法TiO_2基纳米阵列薄膜的制备及表征  79-85
    4.3.1 实验药品及仪器  79-80
    4.3.2 研究方案  80-81
    4.3.3 PS模板的制备  81-82
    4.3.4 溶胶-凝胶法制备TiO_2前驱体  82-83
    4.3.5 聚苯乙烯(PS)模板上阵列TiO_2薄膜的组装  83
    4.3.6 稀土掺杂改性有序阵列TiO_2薄膜的制备  83-84
    4.3.7 染料敏化TiO_2太阳能电池(DSSC)的组装  84
    4.3.8 PS模板及有序阵列TiO_2薄膜的表征及性能测试  84-85
  4.4 PS模板及有序TiO_2阵列薄膜制备工艺的优化  85-90
    4.4.1 影响PS模板的因素  85-87
    4.4.2 热稳定性分析  87-88
    4.4.3 影响有序TiO_2阵列薄膜的因素  88-90
  4.5 稀土掺杂有序TiO_2阵列薄膜的性能研究  90-96
    4.5.1 样品XRD分析  91
    4.5.2 样品UV-Vis分析  91-94
    4.5.3 TiO_2薄膜电极的光电性能  94-96
  4.6 本章小结  96-98
第五章 MWCNT/TiO_2纳米复合材料的功能化改性研究  98-116
  5.1 前言  98-99
  5.2 实验部分  99-103
    5.2.1 仪器与试剂  99-100
    5.2.2 制备实验  100-102
    5.2.3 样品表征测试  102-103
  5.3 结果与讨论  103-114
    5.3.1 碳纳米管SEM图  103-104
    5.3.2 MWCNT/TiO_2样品的TEM分析讨论  104-107
    5.3.3 样品TG-DTA分析  107-109
    5.3.4 样品XRD分析  109-110
    5.3.5 样品的光致荧光光谱(FL)分析  110-111
    5.3.6 样品光催化性质分析  111-114
  5.4 本章小结  114-116
第六章论文总结与展望  116-120
  6.1 论文总结  116-118
  6.2 论文的主要创新性结果  118-119
  6.3 问题和展望  119-120
参考文献  120-135
致谢  135-136
攻读学位期间主要的研究成果  136-137

功能导向纳米TiO_2及其复合体系的可控合成及性能

内容摘要

全文目录

相似论文