阳极氧化法制备二氧化钛纳米管及其在太阳能电池中的应用

介绍了阳极氧化法制备二氧化钛纳米管的技术发展历程, 论述了其制备过程及生长机理, 探讨了电解液、pH值、氧化电压、氧化时间、氧化温度和后处理方法等因素对TiO₂纳米管结构和形态的影响, 综述了近几年来利用TiO₂纳米管组装染料敏化、量子点和本体异质结等太阳能电池所取得的进展, 展望了其未来发展趋势和应用前景.     

阳极氧化法制备二氧化钛纳米管及其在太阳能电池中的应用

介绍了阳极氧化法制备二氧化钛纳米管的技术发展历程, 论述了其制备过程及生长机理, 探讨了电解液、pH值、氧化电压、氧化时间、氧化温度和后处理方法等因素对TiO₂纳米管结构和形态的影响, 综述了近几年来利用TiO₂纳米管组装染料敏化、量子点和本体异质结等太阳能电池所取得的进展, 展望了其未来发展趋势和应用前景.     

阳极氧化法制备二氧化钛纳米管及其荧光性质

室温下采用电化学阳极氧化法在NaF、Na₂SO₄和H₂SO₄的混合溶液中用化学处理后的纯Ti片表面组装了一层结构高度有序的高密度TiO₂纳米管阵列。考察了几种主要的实验参数(阳极氧化电压、温度、电解液浓度)对TiO₂纳米管阵列形貌和尺寸的影响，探讨了二次阳极氧化对纳米管形貌的改善。对TiO₂纳米管阵列进行扫描电子显微镜(SEM)和荧光(PL)分析，探讨其生长机理。结果表明，孔径随阳极氧化电压的升高而变大，温度、电解液浓度影响反应过程中电流密度的大小；二次阳极氧化得到的纳米管的有序性有所改善，孔径大小更为均一，并且发现TiO₂纳米管的荧光具有量子效应。     

阳极氧化法制备多段氧化钛纳米管阵列

光滑管壁结构与竹子结构氧化钛纳米管在一些应用方面分别表现出各自的优势,比如光滑管壁结构氧化钛纳米管更适合电子的传输,竹子结构氧化钛纳米管增加了纳米管的比表面积.集合了两种结构特点的氧化钛纳米管将会在一些应用方面更加优秀.我们提供了一种通过阳极氧化简单制备多段氧化钛纳米管阵列的方法,这种多段氧化钛纳米管是由光滑管壁结构与竹子结构交替组成的.直流电压与交流电压交替使用分别得到氧化钛纳米管的光滑管壁段和竹子结构段.直流电压与交流电压各自的持续时间可以对段长完全控制.并且我们指出了得到这种多段氧化钛纳米管阵列应该注意的问题.首先,为了避免纳米管段与段之间的分裂,电压切换时氢离子的分布不应该被扰乱;其次,为了避免纳米管各段之间因为直径出现差别而断裂,直流电压的大小应该等于交流电压的大电压.这种多段的纳米管阵列期望在太阳能电池,药物传输等方面得到广泛应用.     

阳极氧化钛纳米管阵列膜可控制备

阳极氧化钛纳米管(anodic titania nanotubes,ATNTs)阵列膜具有制备简便、比表面积大和有序度高等优点因而备受人们关注,已广泛应用于太阳能电池、传感器、光催化和超级电容器等领域。但与类似的多孔阳极氧化铝相比,在可控制备即微观形貌控制方面仍相差甚远。迄今,ATNTs的综述文章多侧重于ATNTs的形成机理、改性及应用方面,而本文则聚焦于近十年来ATNTs制备技术成果,试图揭示其在管长、管径和规整度等方面的可控制备规律。首先介绍了在乙二醇(EG)电解液中制备ATNTs的常规阳极氧化条件,以及得到的ATNTs的典型形貌特征。然后评述了非EG电解液体系中,ATNTs的生长规律和形貌特征。在此基础上,综述了如何通过改变阳极氧化工艺参数,如电解液温度、F^-浓度、氧化电压和时间等来实现对ATNTs管径及规整性的调控,并讨论了制备超长纳米管膜的难点和方法,以及获得ATNTs自支撑膜的各种工艺。最后指出了目前ATNTs可控制备存在的不足及今后的发展方向。     

阳极氧化条件对氧化钛纳米管阵列形貌及光催化性能的影响

以阳极氧化法制备了高度有序的TiO2纳米管阵列,采用扫描电镜观察了不同制备条件下得到的TiO2纳米管阵列的微观形貌,分别考察了电解时间、电压、电解液组成对TiO2纳米管阵列形貌的影响;此外,以酸性红3R染料作为标志物,测定了制得的TiO2纳米管阵列片的光催化性能.结果表明,以0.5%NH4F(质量分数)和乙二醇与水按体积比5∶1混合得到的溶液作为电解液,在15V电压下电解2h,得到的TiO2纳米管阵列的纳米管管径适中(60nm)、大小均一、排列整齐.所制备的TiO2纳米管阵列对染料的降解率显著优于纳米TiO2水溶胶的,且其光催化性能与形貌、电解时间及煅烧温度等密切相关.     

有机电解液在阳极氧化法制备TiO2纳米管中的应用

二氧化钛纳米管由于其特殊的结构和优异的性能,在很多领域都有着重要的应用前景。阳极氧化法是制备二氧化钛纳米管的一种主要方法。近来,在阳极氧化法中使用有机电解液来制备二氧化钛纳米管取得了非常显著的效果。与传统的水溶性电解液相比,其深宽比和光电转换效率有了很大的提高。本文主要介绍了二氧化钛纳米管的阳极氧化原理以及有机电解液在阳极氧化法中对二氧化钛纳米管生长过程的影响。     

NH4F/H3PO4体系中阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列

以价廉的Ni板代替常用的Pt片为阴极,纯钛为阳极,采用电化学阳极氧化法在NH4F-H3PO4体系中制备出TiO2纳米管阵列.详细研究了制备参数(溶液酸度、氟离子浓度、外加电压和氧化时间)对所获纳米管阵列形貌的影响.采用场发射扫描电镜(FE-SEM)和X射线衍射(XRD)对样品的形貌和晶相结构进行了表征.在最优化的条件下,可以获得形貌规整、表面干净、有序的TiO2纳米管阵列.纳米管阵列的平均管径为60 nm.管长约530 nm.采用阳极氧化法制备的纳米管阵列是非晶态的.经400℃热处理2 h后,可以转变为锐钛矿相.实验结果还发现,经过热处理后,纳米管阵列变得更为有序,管径扩大至约95 nm.     

二氧化钛纳米管阵列薄膜的超声辐射阳极氧化制备

通过使用铂片作为对电极在含有氢氟酸的二甲基亚砜溶液中, 将金属钛片进行阳极氧化的方法制备得到二氧化钛纳米管阵列薄膜. 在施加40 V偏压超声辐射作用下阳极氧化24 h条件下得到的二氧化钛纳米管长达到680 nm, 管内直径25 nm, 管壁厚度约3～5 nm. 采用了XRD和TEM等分析手段表征了二氧化钛纳米管阵列薄膜的微观结构和表面形貌, 分别测试了薄膜的光吸收性能、循环伏安特性和光化学转换效率, 并和碱性溶胶-凝胶方法制备的纳米晶二氧化钛薄膜作了对比研究. 实验制备的二氧化钛纳米管阵列薄膜电极的光吸收率比纳米晶二氧化钛薄膜提高了40%, 光电化学转换效率前者是后者的6倍, 实验结果表明二氧化钛纳米管阵列薄膜结构有利于加快电子的传输, 并能减少电荷复合, 采用这种二氧化钛纳米管阵列薄膜结构的染料敏化太阳能电池光电极有望进一步提高太阳能电池的效率. 本文还探讨了在超声波辐射作用下二氧化钛纳米管阵列薄膜的形成机理.     

阳极氧化法制备TiO2多孔薄膜

本文综述了制备TiO2薄膜的各种方法,详细介绍了阳极氧化法制备TiO2多孔膜的进展,在非含氟电解液体系中,对纯钛进行阳极氧化处理可制得表面呈无规则生长的多孔膜结构;在含氟电解液体系中,则可自组织形成高度有序的TiO2纳米管阵列,并指出阳极氧化法是可在常温低压下进行、操作工艺简单、薄膜性能稳定、再现性好的一种最具工业化应用潜力的制备方法。     

Fabrication of multi-sectional TiO_2 nanotube arrays by anodization

We report a facile method to grow multi-sectional TiO2 nanotube arrays consisting of alternating bamboo-shaped and smooth-walled nanotube sections by anodization.Two key factors are necessary for obtaining these morphologies.First,in order to avoid possible disruptions between the conjoint sections of the nanotube,the distribution of hydrogen ions is suggested not to be fiercely disturbed when switching from the first to the second stage.Second,to avoid the disruption of the nanotube at the joint which resu...     

Erosion effects of atomic oxygen on carbon nanotube arrays in different incidence direction

The erosion effects of atomic oxygen (AO) in different incidence direction on carbon nanotube (CNT) arrays have been studied by ground‐based AO simulation facility. The surface morphologies and the molecular structures of CNT arrays before and after AO experiments have been characterized by scanning electron microscopy and Raman spectroscopy. It is shown that the morphologies of CNT arrays are quite different from those before AO experiments. It is presented that both bombardment effect and the oxidation effect of AO will contribute to the erosion effects on CNT arrays. Carbon nanotube arrays will be etched away in AO environment, but the AO erosion yield of CNT arrays is different with different AO incidence direction. It is proposed that the density of CNT‐based material may also affect the erosion yield.     

钴离子（Co（2＋））掺杂TiO2纳米管阵列的光生阴极保护行为

应用电化学阳极氧化法在纯钛箔表面构筑TiO2纳米管阵列膜,借助离子交换法对纳米管阵列膜作钴离子（Co2＋）掺杂.扫描电子显微镜（SEM）、X-射线衍射（XRD）观察膜层的形貌和晶型,紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）、光电化学分别测试Co2＋掺杂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C...     

Water oxidation on N‐Doped TiO2 nanotube arrays

Photocatalytic splitting water into hydrogen and oxygen by utilizing solar energy is regarded as an effective strategy to solve oil crisis. By utilizing density functional calculations, we herein present the systemic studies with respect to water splitting mechanism on N‐doped TiO₂ nanotube arrays (NTAs), and focus on activation energy, thermodynamic properties, and effects of N‐doping on reaction process. Our results reveal that the impurity 2p states of doped nitrogen effectively change electronic structure of TiO₂ NTAs, which act as an electron acceptor and facilitate weakly bound electrons of valence band to be easily excited to acceptor level, as well as enhance the first H₂O adsorption and dissociation on the inside wall of N‐doped TiO₂ NTAs. Therefore, it is found that the rate‐determining step of water splitting is the formation reaction of HOO* on N‐doped TiO₂ NTAs rather than the formation of HO* from the first H₂O. © 2011 Wiley Periodicals, Inc. Int J Quantum Chem, 2011     

Ti基TiO_2纳米管阵列的改性及其光催化降解有机污染物

对近年发展的Ti基TiO2纳米管阵列改性的方法及其在光催化降解有机污染物方面应用的研究进展进行了全面的综述,分析了当前存在的问题,并对TiO2纳米管阵列材料研究的发展趋势进行了展望.     

在光催化还原CO2中具有高催化效率的八面体Cu2O修饰的TiO2纳米管

光催化还原CO2生成烃类燃料是一种可同时解决全球变暖和能源危机问题的最有效途径之一。尽管这方面的研究已经取得了一定的进展,但是整体的光催化转换效率还非常低。因此,需要发展更加高效的催化剂。由于半导体材料禁带宽度与太阳光谱相匹配,人们已经对其进行了广泛研究。其中TiO2因具有无毒、强氧化性以及良好的光学和电学性质等而成为最主要的研究对象。但是对于光催化还原CO2反应来说, TiO2仍存在很多不足,如只能吸收太阳光谱中的紫外光,光生载流子会快速结合,以及光生空穴的强氧化能力等,这些都限制了其光催化还原CO2的效率。采用窄禁带宽度半导体修饰TiO2是解决上述不足的有效途径之一。本文采用简单的电化学方法成功制备了一种由窄禁带半导体Cu2O修饰的TiO2纳米管(TNTs)的复合物,并运用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)以及X射线光电子能谱(XPS)表征了所制备复合物的形貌、化学组成和结晶度。表征结果显示,所制备的TiO2为整齐排列的纳米管阵列结构;复合物中的纳米颗粒为Cu2O;当电化学沉积Cu2O的时间为5 min时,得到的Cu2O纳米颗粒初步呈类八面体结构。随着沉积时间的增加, Cu2O颗粒尺寸增加,具有八面体结构。 XRD和XPS结果表明, TiO2纳米管为锐钛矿,八面体Cu2O纳米颗粒的主要暴露晶面为(111)面。我们还进一步研究了不同量Cu2O纳米颗粒修饰的TiO2纳米管复合物在可见光以及模拟太阳光下光催化还原CO2的能力。在可见光下,由于自身的禁带宽度,纯净的TiO2纳米管没有任何光催化还原CO2的能力;经过Cu2O纳米颗粒的修饰,复合物显现出明显的光催化还原CO2的能力,其中经过30 min Cu2O沉积的TNTs具有最高的光催化效率。在模拟太阳光下,经过15 min Cu2O沉积的TNTs具有最高的光催化效率。在所有光催化还原CO2过程中,主要碳氢产物为甲烷。为了深入地理解该复合体系在还原CO2中的高催化效率,我们对催化剂进行了进一步的表征。紫外-可见漫反射光谱表明, Cu2O八面体纳米颗粒的沉积将TNTs的吸收光谱拓展到了可见光区域,提高了复合物对太阳光的吸收能力。此外,我们还通过测试所制样品的光电流反应、荧光发射光谱以及电化学阻抗谱,研究了催化剂中光生电子和空穴的分离和迁移能力。结果表明,适量的Cu2O沉积提高了复合物对光的吸收能力,增加了光生载流子的数量,从而使更多的光生载流子参与光催化反应。综上,本文首次报道了八面体Cu2O纳米颗粒修饰TNTs复合物的光催化还原CO2的能力。在一定量的Cu2O纳米颗粒修饰下,该复合物在光催化还原CO2生成烃类反应中表现出高效性。经过一系列详细的表征和讨论,我们认为其高效性主要源于三个方面：(1) TNTs的管状结构为反应物的吸附提供了大量的活性位点,同时一维的管状结构更有利于光生载流子的运载,从而提高了电子和空穴的分离;(2) Cu2O纳米颗粒的修饰提高了催化剂对光的吸收,促进催化剂最大程度地利用太阳光;(3) TiO2和Cu2O之间导带以及价带位置的匹配,在减少光生载流子复合的同时也降低了TiO2价带上空穴的氧化能力,从而抑制了CO2还原产物的再氧化过程。     

Functionalized polypyrrole nanotube arrays as electrochemical biosensor for the determination of copper ions

A novel electrochemical biosensor based on functionalized polypyrrole (PPy) nanotube arrays modified with a tripeptide (Gly-Gly-His) proved to be highly effective for electrochemical analysis of copper ions (Cu²⁺). The vertically oriented PPy nanotube arrays were electropolymerized by using modified zinc oxide (ZnO) nanowire arrays as templates which were electrodeposited on indium–tin oxide (ITO) coated glass substrates. The electrodes were functionalized by appending pyrrole-α-carboxylic acid onto the surface of polypyrrole nanotube arrays by electrochemical polymerization. The carboxylic groups of the polymer were covalently coupled with the amine groups of the tripeptide, and its structural features were confirmed by attenuated total reflection infrared (ATR-IR) spectroscopy. The tripeptide modified PPy nanotube arrays electrode was used for the electrochemical analysis of various trace copper ions by square wave voltammetry. The electrode was found to be highly sensitive and selective to Cu²⁺ in the range of 0.1–30 μM. Furthermore, the developed biosensor exhibited a high stability and reproducibility, despite the repeated use of the biosensor electrode.     

Enhancement of ethanol electrooxidation on plasmonic Au/TiO2 nanotube arrays

Novel electrocatalysts Au/TiO₂ nanotube arrays (Au/TiO₂NTs) were prepared by loading low-content(1.9 at.%) of Au nanoparticles (AuNPs) onto highly ordered TiO₂ nanotube arrays (TiO₂NTs). Ethanol electrooxidation indicates that visible-light (λ > 400 nm) irradiation can significantly enhance the activity as well as resistpoisoning of Au/TiO₂NTs electrocatalysts that are activated by plasmon resonance. Au/TiO₂NTs catalysts calcinated at 300 °C display the highest performance due to the strong synergistic interactions between TiO₂ and Au NPs. The combination of visible-light irradiation with a controllable potential offers a new strategyfor enhancing the performance of anodes in direct ethanol fuel cell (DEFC).     

Surface photovoltage phase spectroscopy study of the photo-induced charge carrier properties of TiO2 nanotube arrays

By using the surface photovoltage(SPV) technique based on a lock-in amplifier,surface states located 3.1 eV below the conduction band of TiO 2 have been detected in TiO 2 nanotube arrays prepared by anodization of titanium foil in fluoride-based ethylene glycol solution.The photo-induced charge transportation behavior of TiO 2 nanotube arrays was also studied by qualitatively analyzing their SPV phase spectra measured under different external bias.When a negative bias was applied,carriers excited from surface states have the same transportation properties as those excited from the valence band;in contrast,when a positive bias was applied,these two kinds of photo-excited carriers exhibit different transportation behavior.