TiO2纳米薄膜电极中光生载流子传输特性研究

采用sol-gel法制备了均匀透明的锐钛矿相纳米TiO₂薄膜电极. 通过瞬态光电流谱研究了液相电解液中所制备电极内光生载流子的传输特性. 结果表明: 在TiO₂/电解液界面处, TiO₂颗粒表面存在两种能够捕获光生电子的表面态. 一种是O₂吸附所形成的浅能级表面态(S_o), 能级位于导带下0.5 eV以内, 其捕获光生电子的起始电位约为－0.4 V; 另一种是晶格氧离子形成的深能级表面态(S_c), 能级位于带隙中部, 起电子-空穴对复合中心的作用. 二者对光生电子的捕获效率与电解液pH值及电极电位(U)有关. 高于0.4 V的电位能够显著增大光生载流子的传输速率, 降低TiO₂薄膜费米能级(E_Fn), 有效抑制表面态对光生电子的捕获, 进而提高阳极光电流的大小和稳定性.     

TiO2纳米薄膜电极中光生载流子传输特性研究

采用sol-gel法制备了均匀透明的锐钛矿相纳米TiO₂薄膜电极. 通过瞬态光电流谱研究了液相电解液中所制备电极内光生载流子的传输特性. 结果表明: 在TiO₂/电解液界面处, TiO₂颗粒表面存在两种能够捕获光生电子的表面态. 一种是O₂吸附所形成的浅能级表面态(S_o), 能级位于导带下0.5 eV以内, 其捕获光生电子的起始电位约为－0.4 V; 另一种是晶格氧离子形成的深能级表面态(S_c), 能级位于带隙中部, 起电子-空穴对复合中心的作用. 二者对光生电子的捕获效率与电解液pH值及电极电位(U)有关. 高于0.4 V的电位能够显著增大光生载流子的传输速率, 降低TiO₂薄膜费米能级(E_Fn), 有效抑制表面态对光生电子的捕获, 进而提高阳极光电流的大小和稳定性.     

聚乙二醇对TiO2薄膜光致亲水性的促进作用

为了提高TiO₂薄膜的光致亲水性及其持久性, 将聚乙二醇(PEG)2000 引入TiO₂溶胶中, 利用提拉法在载玻片上制备出含PEG的TiO₂薄膜样品, 通过测试样品紫外光照下水滴接触角的变化, 考察不同浓度PEG对TiO₂薄膜光致亲水性能的影响; 并通过测试光照后的亲水薄膜样片暗处放置不同时间后接触角的变化, 比较含PEG的TiO₂薄膜和纯TiO₂薄膜样品的亲水持久性. 结果表明: PEG作为一种非离子型长链分子, 其适量的添加可促进TiO₂薄膜的光致亲水性及其持久性. 基于薄膜样品的傅里叶变换红外(FTIR)光谱和紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)结果, 认为PEG作为空穴捕获剂有助于TiO₂薄膜中Ti³⁺的生成和稳定存在, 进而有助于亲水中心(表面羟基)的形成. 此研究对于TiO₂光自洁涂料的应用很有意义, 也为研究TiO₂的光激发瞬态行为提供了一个可能的简易方法.     

Bi2S3/CdSe共修饰TiO2纳米管膜的构建及其光电化学阴极保护效应

为获得良好光电化学性能的TiO₂半导体复合膜,采用Bi₂S₃和CdSe对TiO₂纳米管膜进行共修饰。以阳极氧化法在Ti表面先制备TiO₂纳米管膜,再通过恒电流电沉积和连续离子层吸附反应在纳米管表面依次沉积CdSe和Bi₂S₃,构建了具有级联能带结构的Bi₂S₃/CdSe共修饰的TiO₂纳米管复合膜。结果表明,Bi₂S₃/CdSe/TiO₂纳米管复合膜对可见光吸收显著增强,光电化学性能大幅度提高。白光照射下,复合膜的光电流密度为670 μA·cm^-2,达到了纯TiO₂纳米管膜的17.6倍。Bi₂S₃/CdSe/TiO₂复合膜作为光阳极可使0.5 mol·L^-1 NaCl溶液中的403不锈钢的电位相对于腐蚀电位下降690 mV,显示出良好的光电化学阴极保护效应。     

TiO2/Gd2O3纳米粉体的制备、表征及光催化活性

利用酸催化的溶胶-凝胶法制备了纯TiO₂和Gd³⁺(0.5wt%)掺杂的TiO₂纳米粉体，采用XRD、BET、XPS、紫外-可见漫反射谱(DRS)和表面光电压谱(SPS)等技术进行了表征；以亚甲基蓝(MB)的光催化降解为探针反应，评价了其光催化活性；探讨了Gd³⁺掺杂对TiO₂纳米粉体的光催化活性的影响机制。结果表明，TiO₂/Gd₂O₃纳米粒子对MB溶液的光催化活性提高到纯TiO₂的1.5倍。掺杂Gd³⁺可以强烈抑制TiO₂由锐钛矿相向金红石相的转变；阻碍TiO₂晶粒的生长；提高高温组织稳定性，改善粉体的表面织构特性；形成光生电子的浅势捕获陷阱，抑制e^-/h⁺复合，这些因素共同作用最终导致TiO₂/Gd₂O₃纳米粉体的光催化活性明显提高。XPS分析结果证实，掺杂Gd³⁺导致粉体的表面羟基含量降低。由于产生了量子尺寸效应，复合粉体的紫外吸收带边蓝移，光的吸收能力略有降低。     

总气压与Ar/O2流量比对直流对向靶磁控溅射TiO2薄膜光催化性能的影响

采用对向靶磁控溅射法在不同气压和Ar/O₂流量比条件下, 以氟化SnO₂ (FTO)导电玻璃为基底制备了多晶TiO₂薄膜. 台阶仪测量结果显示所制备TiO₂薄膜的平均厚度约为200 nm. 随着溅射气压的升高, TiO₂薄膜由锐钛矿与金红石混晶结构转变为纯锐钛矿结构. 分别采用场发射扫描电镜(FESEM)和原子力显微镜(AFM)分析了不同气压和Ar/O₂流量比对TiO₂薄膜表面形貌的影响, 结果显示TiO₂薄膜的表面粗糙度随溅射总气压和Ar/O₂流量比的增加而增大. 以初始浓度为100×10^-6 (体积分数)的异丙醇(IPA)气体为目标物检测所制备TiO₂薄膜的光催化性能, 并分析该气相光催化反应的机理, 在紫外照射条件下异丙醇先氧化为丙酮再被氧化为CO₂.当总溅射气压为2.0 Pa、Ar/O₂流量比为1:1时, 溅射所得TiO₂薄膜具备最优光催化活性并可在IPA降解反应中保持较高的催化活性和稳定性.     

B离子掺杂TiO2催化剂(TiO2－xBx)光催化活性的研究

采用溶胶-凝胶法制备出纳米TiO₂和TiO_2－xB_x催化剂. 光催化实验证明, TiO_2－xB_x催化剂的紫外、可见光催化活性均高于TiO₂. XRD, XPS和Raman结果表明, B离子是以取代式掺杂占据了TiO₂的O^2－的晶格位置. UV-Vis和PL谱的结果表明, B离子的2p轨道与O的2p轨道形成混合价带, 产生可见光响应, B离子的掺入有效地阻止了光生载流子的复合, 促进了其分离, 是TiO_2－xB_x催化剂紫外、可见光催化活性提高的主要原因.     

表面In掺杂TiO2的N719/TiO2-Inx%/FTO薄膜电极的光电转换效率

采用溶胶-凝胶法制备出In 表面修饰的TiO₂ (TiO₂-Inx%)纳米粒子, x%代表在In 掺杂的TiO₂样品中In³⁺与In³⁺和Ti⁴⁺离子摩尔百分含量. 利用二(四丁基铵)顺式-双(异硫氰基)双(2,2''-联吡啶-4,4''-二羧酸)钌(II)(N719)作为敏化剂, 制备出N719/TiO₂/FTO (氟掺杂锡氧化物)和N719/TiO₂-Inx%/FTO染料敏化薄膜电极. 光电转换效率实验表明, 在薄膜电极+0.5 mol·L^-1 LiI+0.05 mol·L^-1 I₂的三甲氧基丙腈(MPN)溶液+Pt 光电池体系中,N719/TiO₂-Inx%/FTO薄膜电极的光电转换效率均高于N719/TiO₂/FTO, 其中N719/TiO₂-In0.1%/FTO的光电转换效率比N719/TiO₂/FTO提高了20%. 利用X 射线衍射(XRD)、X 射线光电子能谱(XPS)、漫反射吸收光谱(DRS)、荧光(PL)光谱和表面光电流作用谱确定了TiO₂-Inx%样品中In3+离子的存在方式和能带结构; 利用表面光电流作用谱研究了N719/TiO₂-Inx%/FTO薄膜电极的光致界面电荷转移过程. 结果表明, In3+离子在TiO₂表面形成O-In-Cl_n (n=1, 2)物种, 该物种的表面态能级位于导带下0.3 eV处; 在光电流产生过程中, O-In-Cl_n (n=1, 2)表面态能级有效地抑制了光生载流子在TiO₂-Inx%层的复合, 促进了阳极光电流的增加, 从而导致N719/TiO₂-Inx%/FTO薄膜电极的光电转化效率高于N719/TiO₂/FTO, 并进一步讨论了光致界面电荷转移的机理.     

低温吸附制备Au-TiO2复合薄膜及其光电化学性质

在低温条件下将预先合成的Au溶胶吸附到TiO₂薄膜上以制备纳米Au-TiO₂复合薄膜,以超高分辨率场发射扫描电镜(FESEM)、X射线衍射(XRD)及X射线光电子能谱(XPS)表征Au-TiO₂膜,并在UV辐照下测定了Au-TiO₂薄膜电极的光电化学性质。纳米Au呈金属态,平均粒径为(4.3±1.2) nm,负载量高,均匀地沉积于TiO₂薄膜表面。光电化学测试表明,沉积纳米Au后,TiO₂电极的光生电流提高近5倍,光生电压明显向负值增大,说明纳米Au可增强光生载流子的分离效率,促进电荷在电极与溶液界面间的转移。Au-TiO₂电极的电荷传递法拉第阻抗(R_ct)是TiO₂电极的一半,说明负载的纳米Au粒抑制了光生电子-空穴的复合,提高了电极中载流子浓度。     

稀碱溶液中水热法制备柔性TiO2纳米须薄膜的生长机制及表征

以柔性不锈钢基底上经磁控溅射沉积的钛膜为钛源, 在1 mol·L^-1的低浓度NaOH溶液中水热法制备了朝基底上方取向生长的大长径比柔性TiO₂纳米须薄膜, 考察了钛膜沉积条件对纳米须薄膜的影响, 系统研究了水热反应条件对薄膜生长过程的影响及TiO₂纳米须薄膜的形成机制. 通过场发射扫描电镜(FESEM)、X射线能谱仪(EDS)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、X射线衍射仪(XRD)等对样品进行了表征. 结果表明, 与室温沉积的钛膜相比, 600 ℃下沉积的钛膜水热后得到的纳米线薄膜与基底的附着力更好. 所得TiO₂纳米须为单晶锐钛矿, 经由Na₂Ti₂O₄(OH)₂、H₂Ti₂O₅·H₂O转变而来. 纳米须形成于水热阶段, 平行于Na₂Ti₂O₄(OH)₂的(100)晶面择优取向生长, 纳米须经历了纳米片→纳米线束→纳米线的裂解生长过程. 朝基底上方取向生长的纳米须薄膜的形成是低浓度NaOH溶液与较高水热温度(220 ℃)协同作用的结果. 进一步在Na₂SO₄溶液中研究了薄膜电极的光电化学性能, 结果表明, TiO₂纳米须薄膜的光电性能明显优于零维纳米颗粒薄膜和二维纳米片薄膜, 显示了良好的应用前景.     

Co3O4 Decorated Ti/TiO2 Nanotubes for Photogenerated Cathodic Protection of 304 Stainless Steel

The Co₃O₄ decorated TiO₂ nanotube arrays(NTAs) coatings are fabricated by the combination of anodization and impregna-ting methods. It is found that the introduction of Co₃O₄ can reduce the diffraction intensity of (101) plane of the TiO₂ and accelerate the separation of photogenerated electron/hole pairs. In addition, the open circuit potential(OCP) and the corrosion potential of 304 stainless steel(304SS) with or without Co₃O₄ decorated TiO₂ NTAs were measured under visible light, which indicated the 304SS coupled with Co₃O₄ decorated TiO₂ NTAs had better anticorrosion performance than that of the 304SS or the 304SS coupled with pure TiO₂ NTAs. The enhancement of the cathodic protection performance of the Co₃O₄ decorated TiO₂ NTAs can be ascribed to the matched energy levels and strong interaction between Co₃O₄ and TiO₂ NTAs, and the improvement of light absorption.     

TiO_2纳米管阵列的制备及其对316不锈钢光生阴极保护作用的研究

应用直接电化学阳极氧化法,于含氟电解液中,在纯钛表面制备一层整齐有序的TiO2纳米管阵列.扫描电子显微镜(SEM),X射线衍射(XRD)表征该纳米管阵列的形貌及晶体结构,光电化学联用系统研究其光电响应特性及对316L的光生阴极保护作用.结果表明:以TiO2纳米管阵列膜作为光生阳极时,在紫外光区(λ<387nm)有显著增强的光生电流响应,并对316不锈钢有较好的光生阴极保护作用.暗态下,光生电极电位仍可维持较长的一段时间,继续起到阴极保护作用.     

ZnSe/MoO_3/TiO_2复合膜的制备及其光生阴极保护效应

针对TiO_2半导体不能有效吸收可见光,光电转换效率较低等问题,可通过对TiO_2半导体进行修饰和改性,制备TiO_2复合材料,提高其光电化学性能。因此,本工作以Ti表面制备的TiO_2纳米管膜为基础,分别应用循环伏安电沉积法和脉冲电沉积法在膜表面先后沉积MoO3和ZnSe颗粒,获得具有级联能带结构的ZnSe/MoO3/TiO_2纳米管复合膜,并将其应用于对403不锈钢(403SS)实施光生阴极保护。相较于纯TiO_2纳米管膜,紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱和光致发光(PL)谱测试表明,ZnSe/MoO3/TiO_2复合膜的吸收边红移,在可见光区具有良好的光吸收性能,光生载流子复合得到更有效抑制。光电化学测试表明,白光照射下,处于0.5 mol·L~(-1) KOH溶液中的ZnSe/MoO3/TiO_2复合膜的光电流密度达到了同条件下纯TiO_2膜的2倍,可使与之耦连的浸泡于0.5 mol·L-1 NaCl溶液中的403SS电极电位下降470 mV,显示出良好的光生阴极保护效应。复合膜还具有一定的储能特性,在光照后又转为暗态的22.5 h内仍对403SS具有一定阴极保护作用。     

NiO/TiO2异质结构纳米管阵列膜对不锈钢的光生阴极保护及其储能性能

本工作通过修饰TiO₂制备半导体复合膜,提高其光吸收和光电化学性能,以期应用于光生阴极保护。先采用阳极氧化法在Ti表面制备TiO₂纳米管阵列膜,再应用水热处理法在膜表面沉积NiO纳米颗粒,形成具有异质结构纳米管复合膜。利用扫描电子显微镜、X-射线衍射、X-射线光电子能谱、紫外-可见吸收光谱、光致发光谱和光电化学技术对制备的纳米膜进行表征。结果表明,与纯TiO₂纳米管膜比较,NiO/TiO₂纳米管复合膜的光吸收扩展到可见光区。白光照射下,其在0.5 mol·L^?1 KOH和1 mol·L^?1 CH3OH混合液中的光电流密度达到176μA·cm^?2,是纯TiO₂纳米管膜的2倍。复合膜具有良好的光生阴极保护作用,与0.5 mol·L^?1 NaCl溶液中的403不锈钢耦连后,可使其电极电位下降440 mV,在光照2.5 h再转为暗态后,因具有电荷储存能力还可继续提供约15.5 h的阴极保护效应。     

卤素离子对TiO2薄膜光致亲水性的影响

将卤化钾盐KX(X＝I、Br、Cl、F)分别引入至TiO₂溶胶中, 利用提拉法在载玻片上制得含有卤素离子的TiO₂-X薄膜样片, 通过测试样片紫外光照下水滴接触角的变化, 考察了不同浓度的KI以及不同卤素离子对TiO₂薄膜光致亲水性能的影响, 并通过测试光照后的亲水薄膜样片暗处放置不同时间后接触角的变化, 比较了含TiO₂-I和TiO₂-F薄膜样片亲水性能的持久性. 结果表明, 适量的KI有助于提高TiO2薄膜的光致亲水性, 当TiO₂溶胶中KI浓度为1.0×10^-5 mol•L^-1时, 其所制得TiO₂薄膜的光致亲水性最好, 继续增大KI浓度时, 薄膜的光致亲水性逐步下降, 当KI浓度达1.0×10^-2 mol•L^-1时, 其光致亲水性较纯TiO₂薄膜差；同时, 适量的KBr、KCl加入也有助于提高TiO₂薄膜的光致亲水性, 且随KI＞KBr＞KCl的顺序逐渐减弱, 但KF的加入降低了薄膜的光致亲水性；另外, 卤素离子的加入还有助于提高TiO₂薄膜亲水性能的持久性, 且KF＞KI. 分析认为, 卤素离子对TiO₂薄膜光致亲水性的影响与其给电子或捕获光致电子作用有关, 并提出了其作用模型, 而卤素离子与亲水基团(羟基)的氢键作用是使KX-TiO₂薄膜能够延长亲水性时间的原因.     

异质结型光催化膜的活性及其机理研究

采用浸渍提拉法制得TiO₂,ZnO,Fe₂O₃,ZnO/TiO₂,TiO₂/ZnO,Fe₂O₃/TiO₂和TiO₂/Fe₂O₃石英玻璃基底负载膜.光催化降解亚甲基蓝实验表明,TiO₂和ZnO具有良好的光催化活性,Fe₂O₃活性较差.但形成异质结后,TiO₂和Fe₂O₃的光催化降解能力发生明显的变化.用254nm紫外光光照后,TiO₂,ZnO和Fe₂O₃等3种氧化物膜与水的接触角均有不同程度的降低,TiO₂表现出超亲水性,ZnO/TiO₂和Fe₂O₃/TiO₂膜与水的接触角小于对应的单纯ZnO和Fe₂O₃膜与水的接触角,其中Fe₂O₃/TiO₂表面出现超亲水性.瞬态光电导谱的少数载流子寿命的测定表明,异质结势垒电场能有效地增强光生电子-空穴对的分离效率.根据能带理论建立的两组异质结能带模型可合理地解释实验结果.     

铁掺杂TiO2纳米管阵列对不锈钢的光生阴极保护

在含FeSO4的HF、H2SO4/HF、NaF/Na2SO4溶液中,通过电化学阳极氧化直接在纯钛表面制备Fe 掺杂的TiO2(Fe-TiO2)纳米管阵列. 应用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、X 射线光电子能谱(XPS)等手段对纳米管阵列的结构、形貌及化学组成进行表征. 利用光电化学测量研究Fe-TiO2纳米管阵列在不同波长范围内的光电响应特性和光生阴极保护行为. 考察了温度、时间、掺杂含量等参数对TiO2纳米管阵列的几何尺寸、形貌和光电性能的影响. 结果表明, Fe掺杂可有效减缓TiO2纳米管阵列载流子的复合, 窄化TiO2带隙宽度, Fe-TiO2在410-650 nm范围显示强吸收, 并使光谱响应扩展到波长大于400 nm 的可见光区. 实验结果还表明, Fe-TiO2纳米管阵列对316不锈钢(316L)具有良好的光生阴极保护作用, 暗态下阴极保护作用可继续维持.     

Tunable Synthesis of Core-shell α-Fe2O3/TiO2 Composite Nanoparticles and Their Visible-light Photocatalytic Activity

Uniform α-Fe₂O₃/amorphous TiO₂ core-shell nanocomposites were prepared via a hydrolysis method and α-Fe₂O₃/anatase TiO₂ core-shell nanocomposites were obtained via a post-calcination process. The structure and morphology of the products were characterized by powder X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, transmission electron microscopy and scanning electron microscopy. Amorphous TiO₂ nanoparticles with diameters of ten to several tens nanometer were formed on the surface of α-Fe₂O₃ nanoparticles and the coverage density of the secondary TiO₂ nanoparticles in the composite can be controlled by varying the concentration of Ti(BuO)₄ in the ethanol solution. The visible-light photocatalytic properties of different products towards Rhodamine B(RhB) were investigated. The results show that the α-Fe₂O₃/amorphous TiO₂ exhibits a good photocatalytic property owing to the extension of the light response range to visible light and the efficient separation of photogenerated electrons and holes between α-Fe₂O₃ and amorphous TiO₂.     

锂离子电池用Cr2O3/TiO2复合材料的电化学性能

采用高温固相反应法合成了Cr₂O₃/TiO₂复合材料, 运用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、充放电测试、循环伏安(CV)、电化学阻抗谱(EIS)等对其结构、形貌和电化学性能进行了表征. 研究结果表明: TiO₂掺杂能够显著改善Cr₂O₃的充放电循环性能, Cr₂O₃/TiO₂复合材料在充放电循环22周后仍有454 mAh·g^-1的可逆循环容量, 容量保持率达到了73.6%, 主要归因于TiO₂掺杂能够显著提高Cr₂O₃的电导率. Cr₂O₃/TiO₂复合材料首次放电过程中由于电极体积膨胀导致的固体电解质相界面(SEI)膜迅速增厚和活性材料电导率的降低可能是其首次充放电过程中存在较大不可逆容量和循环容量衰减的重要原因.     

Effect of Magnetic Carrier NiFe2O4 Nanoparticles on Physicochemical and Catalytic Properties of Magnetically Separable Photocatalyst TiO2/NiFe2O4

A series of magnetically separable photocatalyst TiO₂/NiFe₂O₄(TN) with different mass ratios of NiFe₂O₄ to TiO₂ was prepared by sol-gel method. The X-ray diffraction(XRD), X-ray photoelectron spectroscopy(XPS), transmission electron microscopy(TEM), ultraviolet-visible spectroscopy(UV-Vis), Brunauer-Emmett-Teller(BET) surface analysis and photoluminescence spectroscopy(PL) were used to characterize the photocatalyst TN. The XRD patterns of TN indicate that adulterating a smidgen of NiFe₂O₄ into TiO₂(about 0.1%, mass ratio) can promote the phase transformation of TiO₂, however, when the doped amount of NiFe₂O₄ surpasses 1%, the introduction of NiFe₂O₄ can inhibit the growth of TiO₂ crystal grain and reduce the size of TiO₂ crystal grain. The XPS results of TN indicate that some Fe³⁺ replace Ti⁴⁺ of the TiO₂ lattice forming Fe―O―Ti bonds. The PL analysis of TN shows that the NiFe₂O₄ nanoparticles in photocatalyst TN play the role of the effective recombination centre of the photogenerated electrons and holes, leading to the decrease in photocatalytic activity.