二氧化钛复合薄膜构筑及光电化学性能
二氧化钛(TiO2)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领域具有广阔的应用前景。然而，TiO2的禁带宽度较大，只能被波长小于387 nm的紫外光激发，且光生电子和空穴易复合，限制了其在光电催化领域的应用。因此，开发具有高效可见光响应特性的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。
针对TiO2光催化领域存在的问题，本文以提高TiO2的光催化活性及其在光电转换效率为研究目标，采用氮掺杂改性TiO2光催化剂，并与NiO薄膜进行复合，制备了ITO/TiO2-xNx/NiO复合薄膜电极。采用金属钛阳极氧化法制备了TiO2纳米管阵列并分别在其管内填充CdS和Ni(OH)2.，制备了TiO2/CdS和TiO2/Ni(OH)2复合薄膜。采用SEM、XRD、XPS和UV-Vis等对样品进行了表征，并对这些复合薄膜的光电化学性能进行了系统研究，获得以下结果：
1、分别采用溶胶-凝胶和磁控溅射两种方法，用ITO导电玻璃作为基底，制备氮掺杂二氧化钛薄膜(TiO2-xNx)，然后采用化学沉积法在TiO2-xNx薄膜表面沉积多孔NiO薄膜，制备的ITO/TiO2-xNx/NiO复合薄膜具有较好的光电致变色特性和光能量储存能力。
采用溶胶-凝胶法制备氮掺杂TiO2-xNx薄膜，研究了原料摩尔比和热处理温度等对TiO2-xNx薄膜光电性能的影响。研究发现，不同摩尔比(尿素和钛酸丁酯)制备的TiO2-xNx光催化剂的吸收边均红移至450～600 nm范围，尤以摩尔比为4的样品最为明显。热处理温度也对TiO2-xNx薄膜的光电性能有明显影响，400℃处理的ITO/TiO2-xNx与NiO复合制成的ITO/TiO2-xNx/NiO复合薄膜电极，在光照下具有可逆变色特性，薄膜颜色由无色变为棕色时，400 nm处透射率变化达到50％，在100 nA下放电时间为4.2 h。
采用磁控溅射法制备氮掺杂TiO2-xNx薄膜时，气体流量比为1:2且热处理温度为400℃条件下制备的TiO2-xNx薄膜和ITO/TiO2-xNx/NiO双层薄膜具有优异的光电流响应特性和光电致色特性。光照1 h后，该样品在500 nm波长处光透射变化率达82％，100 nA电流放电，放电时间约11.1 h，表明ITO/TiO2-xNx/NiO双层薄膜具有良好的光电转换特性和光能量存储特性。
在TiO2-xNx薄膜表面采用化学沉积法制备的NiO薄膜，具有多孔网状结构，有利于光生载流子的迁移和电解液的浸渍，光照过程中，TiO2-xNx受光激发产生空穴将NiO氧化为更高价的NiOOH，薄膜从无色变成棕色，可同时实现光充电和光致变色的作用。
2、采用阳极氧化法制备了TiO2纳米管阵列，并采用交流电沉积方法制备了CdS/TiO2光催化复合电极，研究了不同介质和工艺对TiO2纳米管阵列和CdS/TiO2光催化复合电极的微观形貌及光电催化特性的影响。研究发现，采用钛片为阳极，在NH4F和丙三醇水溶液中，制备的定向排列纳米管阵列，管内径50～100 nm，壁厚10 nm左右，纳米管长约1μm。CdS在TiO2纳米管阵列上的沉积状态和微观结构与沉积时间有密切关系。制备的CdS/TiO2复合薄膜电极在UV-Vis光照射下，光吸收边呈现出两种半导体材料的吸收特点，吸收边在385和520 nm之间，随着沉积时间增加，CdS/TiO2复合光催化剂光吸收边红移趋于增大。研究发现，沉积时间为3 min时制得的CdS/TiO2复合电极具有最佳的光电化学性能，在汞灯照射下对目标降解物甲基橙(MO)的降解性能也最佳。
3、采用电化学沉积法在TiO2纳米管阵列内沉积Ni(OH)2，制备了TiO2/Ni(OH)2复合电极，并对其光电催化、光致变色和光能量存储等进行了深入研究。研究结果表明TiO2/Ni(OH)2复合电极具有明显的可逆光致变色性能和光能量储存特性，光照2 h后，以100 nA电流进行放电，持续时间达19.4 h，呈现出良好的光能量存储特性。
二氧化钛;复合薄膜;光致变色;光能量存储;光催化特性
浙江工业大学
博士
工业催化
张文魁;黄辉
2011
中文
TQ264.4
126
2012-05-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）