tiolt2gt纳米管阵列的阳极氧化制备及性能研究

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1、南京航空航天大学博士学位论文摘要纳米TiO2是一种重要的无机功能材料，在光催化降解大气和水中的污染物、染料敏化太阳能电池（DSSC）、气敏传感器、光解水等方面有着广阔的应用前景。与其它形态的TiO2相比，TiO2纳米管阵列具有更大的比表面积、更强的吸附能力、高效的电子传输通道，有望在提高TiO2已知性能的同时，获得新的功能特性。因此，对TiO2纳米管阵列的制备及应用进行系统深入的研究具有重要的实际意义。本文采用恒压阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列，通过FE-SEM、XRD、TEM等对纳米管阵列的形貌和结构进行表征，并研究了阳

2、极氧化电压、时间及电解液种类对管阵列形貌、结构的影响。结果表明：对于同一电解液体系，TiO2纳米管阵列的形成需要特定的氧化电压、时间参数范围。纳米管的平均管径、管壁厚度、管长随氧化电压的提高而增大，氧化时间只对纳米管长度有显著影响；电解液种类是获得大长径比TiO2纳米管阵列的关键。在具有高的介电常数和粘度系数的有机电解液中，可以制备出更长的纳米管。阳极氧化法制备的TiO2纳米管阵列为无定型态，经过热处理可获得锐钛矿、金红石等不同晶型。纳米管阵列中TiO2的结晶过程有别于其它形态的TiO2。管中锐钛矿晶粒在达到一定尺度后不再增

3、大，也不转变为金红石相。只有当纳米管坍塌，管中的小尺寸锐钛矿相晶粒才会消失。此外，本文对TiO2纳米管阵列在光催化降解甲基橙、直接甲醇燃料电池阳极电催化剂、DSSC的光阳极三个方面的应用进行了探索性研究。得出以下结论：将空气热处理的TiO2纳米管阵列作为光催化剂，对甲基橙溶液进行光催化降解试验，研究了阳极氧化电压、氧化时间、热处理温度对光催化性能的影响。结果表明，0.5wt%HF电解液（20V、20min）中制备的TiO2纳米管阵列400℃热处理后具有较好的光催化性能，其经高压汞灯照射40min，对10mg/L甲基橙溶液的降

4、解率可达到99.6%。通过直流电沉积和超声辅助直流电沉积，成功制备出Pt/TiO2纳米管阵列/Ti复合电极。沉积过程中超声波及纳米管的存在促进了Pt在iTiO2纳米管阵列的阳极氧化制备及性能研究电极表面的分散。同等制备条件下，超声辅助电沉积制备的Pt/TiO2纳米管阵列/Ti复合电极对甲醇具有最强的电催化氧化能力，普通电沉积的其次，直接沉积在Ti上的最差，但它们的性能都优于同等面积的纯Pt片状电极。利用TiO2纳米管阵列作为光阳极材料，成功组装制备了DSSC。TiO2纳米管阵列的比表面积对电池性能有着重要影响。比表面积越大，

5、其组装的太阳能电池的性能越好。例如，含有1vol%水的0.25wt%NH4F/乙二醇电解液（20V、2h）中制备的大比表面积TiO2纳米线/带/管阵列镶段复合结构，经过450℃空气热处理后，组装成的DSSC（1cm×1cm）2具有最佳的光电性能（Jsc＝3.53mA/cm、Voc＝0.81V、η＝1.508%）。关键词：阳极氧化法，TiO2纳米管阵列，光催化甲基橙，超声辅助直流电沉积，Pt/TiO2纳米管阵列/Ti复合电极，阳极电催化剂，直接甲醇燃料电池，光阳极，染料敏化太阳能电池ii南京航空航天大学博士学位论文ABSTRA

6、CTNanotitania,animportantinorganicfunctionalmaterial,findswilduseinthefieldofphotocatalysis,dye-sensitizedsolarcells(DSSC),gassensing,waterphotolysis,andsoon.Comparedwithanyothermorphologicformoftitania,TiO2nanotubearraysareexpectedtoexhibitnovelandimprovedfunction

7、alcharacteristics,duetotheirhigherspecificsurfacearea,strongeradsorbabilityandefficientelectrontransferpath.ThusthesystematicalstudiesonthepreparationandapplicationofTiO2nanotubearrayshavebothscientificandengineeringsignificances.TiO2nanotubearrayswerefabricatedbya

8、nodicoxidationataconstantpotentialinthispaper.ThemorphologyandthestructureofTiO2nanotubeswerecharacterizedrespectivelybymeansofFE-SEM,XRD,TEM,and