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摘要
TiO2作为一种重要的无机功能材料,由于其较高的催化性能、稳定的电化学性能以及安全无毒、廉价等优点,在光催化降解污染物、锂离子电池以及太阳能的存储与利用等方面有重要的应用价值,被认为是解决环境污染和能源短缺问题最具潜力的材料之一。然而较大的禁带宽度以及被激发的光生电子-空穴对容易复合的缺点限制了其在光催化领域的应用;而其本身较低导电性和电子迁移率则限制了其在锂离子电池负极材料领域的应用。本文通过贵金属（Ag和Au）负载的方法解决TiO2可见光催化率低和导电性差的问题。（1）通过溶胶-凝胶法,在不同厚度（10 nm、30 nm、50 nm和100 nm）的Ag衬底上制备了Cu掺杂的TiO2薄膜,并在500℃下,进行2 h退火处理。扫描电子显微镜（SEM）以及X射线光电子能谱仪（XPS）表明,适当厚度的Ag衬底和Cu离子掺杂量,不仅能使TiO2表面颗粒的形貌保持微小分散,同时有部分Ag+进入TiO2晶格,并伴随有部分Cu O颗粒形成。Cu离子的加入使TiO2的禁带宽度减小,增强了TiO2对可见光的吸收;Ag+则主要作为电子陷阱,使电子-空穴对的复合几率降低。与单独的Cu掺杂相比,在Ag衬底上制备的TiO2薄膜的可见光催化效率得到了明显提高。（2）通过磁控溅射法,在不同厚度的Ag衬底上制备了N掺杂的TiO2薄膜,并在400℃下,进行2 h退火处理。组织结构表征和性能分析表明,Ag衬底在退火过程中会扩散进入TiO2薄膜中,并保持其单质状态,形成均匀分散在N-TiO2薄膜机体和表面的Ag纳米颗粒。XPS检测并未发现有Ag+离子。这些均匀分散的Ag纳米颗粒,一方面可以通过Ag纳米颗粒的表面等离子体共振效果使得TiO2利用更多的可见光,并通过等离子体能量的转移激活光生电荷载流子;另一方面,Ag纳米颗粒可以作为电子陷阱,大大降低了电子-空穴对的复合机率。通过此方法制备的TiO2薄膜,不仅可见光催化效率显著提高,而且具有更好可循环性。（3）通过阳极氧化法制备了长度和管径均不相同TiO2纳米管阵列,并测试了其作为锂离子电池负极材料时的电化学性能。SEM形貌分析表明,随着阳极氧化的时间从0.5 h增加到4 h,纳米管的管径和长度分别从21.6nm和5.1μm增加到了51.0 nm和12.5μm,且管径和管长随着阳极氧化时间的增加呈线性增长。电化学性能测试表明,纳米管电极具有良好的循环性能,200次循环后仍然能保持较高容量,且纳米管越长,其高倍率充放电容量也越大。长度为6μm,管径为25 nm的纳米管电极具有最佳容量比（容量/管径比）2.72。（4）通过阳极氧化法制备了直径为75±5 nm,长度为6.5μm的纳米管阵列薄膜,在其表面通过磁控溅射法制备了厚度为225 nm的Ag膜,并分别在300、400和500 oC下对其进行1、2、3 h的退火处理。组织结构表征和性能分析表明,由于曲率效应,退火时Ag会在TiO2纳米管的外壁表面扩散,且扩散深度与退火温度和保温时间密切相关。通过扩散理论分析表明,400 oC时,Ag原子在TiO2纳米管外表面扩散时的扩散系数为6.87×10-18m2/s,这一结果比Ag在无定型TiO2薄膜中的扩散系数大三个数量级;300oC500℃的范围内,Ag在TiO2纳米管的最外表面上迁移/扩散的活化能为157 k J/mol,这一结果小于Ag在TiO2中的晶格扩散,大于晶界扩散。（5）用相同的方法对Au在TiO2纳米管阵列中的扩散做了研究,并对其作为锂离子负极材料时的电化学性能做了测试。形貌分析和理论计算表明,400500 oC退火时,Au在TiO2纳米管中扩散系数分别为4.141.94×10-17 m2s-1。400 oC500℃的范围内,Au在TiO2纳米管的最外表面上迁移/扩散的活化能为67.2 k J/mol。通过与同类实验比较得出,Au在TiO2纳米管阵列的迁移/扩散涉及Au在TiO2纳米管中的晶界扩散和表面扩散以及其在TiO2纳米管的界面扩散三个过程。通过对退火后Au颗粒尺寸的测量,可以得出Au在TiO2纳米管上的生长为一级反应。电化学性能测试表明,相同条件下,Au负载后的TiO2纳米管的导电性得到了明显改善,容量有了显著的提高。
- 出版日期2017
- 单位太原理工大学
