一維TiO2基納米異質(zhì)結(jié)復(fù)合體系的制備及其光電化學(xué)性能研究.pdf

1、近年來(lái)，能源危機(jī)和環(huán)境污染已經(jīng)成為全球性問題，人們對(duì)可再生能源的發(fā)展及應(yīng)用寄予厚望。設(shè)計(jì)和利用半導(dǎo)體器件將清潔的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能、氫能等成為解決能源和環(huán)境問題的突破口。二氧化鈦(TiO2)作為一種寬禁帶半導(dǎo)體，具有廉價(jià)無(wú)毒、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、光催化活性高等優(yōu)點(diǎn)，在能源、環(huán)境及生物領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。而具有一維結(jié)構(gòu)的TiO2納米棒陣列，相比傳統(tǒng)的TiO2納米顆粒，在比表面積、電子傳輸、回收再利用等方面優(yōu)勢(shì)凸顯，受到了廣泛關(guān)注。在一維TiO2納米

2、棒的基礎(chǔ)上構(gòu)建納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)，一方面可以顯著增強(qiáng)T1O2對(duì)太陽(yáng)光的吸收，另一方面可以加速電子的傳輸效率，從而提高TiO2的光電化學(xué)性能。本文中利用傳統(tǒng)的水熱法，在氟摻雜氧化錫(FTO)導(dǎo)電襯底上生長(zhǎng)了高度有序的TiO2納米棒陣列，并通過(guò)第二次水熱過(guò)程，在TiO2納米棒的表面構(gòu)建納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)，研究并探討納米異質(zhì)結(jié)的形成對(duì)TiO2光電化學(xué)(PEC)性能的影響。具體研究?jī)?nèi)容如下:
　　通過(guò)兩步水熱法，在FTO襯底上生長(zhǎng)分形結(jié)構(gòu)的TiO2納

3、米樹異質(zhì)結(jié)。TiO2納米樹是枝干結(jié)構(gòu)，主干為金紅石相TiO2納米棒，主干上的分支為銳鈦礦相TiO2納米薄片。利用簡(jiǎn)單的連續(xù)離子層吸附反應(yīng)(SILAR)分別在TiO2納米棒和TiO2納米樹的表面沉積CdS/ZnS量子點(diǎn)(CdS/ZnS QDs)，利于比較它們不同結(jié)構(gòu)對(duì)PEC性能的影響。樣品的形貌、結(jié)構(gòu)、光學(xué)特性及光電化學(xué)性能得到了詳細(xì)的表征及研究。結(jié)果表明，在敏化Cd/ZnS QDs后，TiO2納米樹光陽(yáng)極相比于TiO2納米棒光陽(yáng)板表現(xiàn)出

4、了更優(yōu)異的PEC性能。其中，敏化后的TiO2納米樹光陽(yáng)極的光電流密度為0.29mA/cm2，幾乎是敏化后的TiO2納米棒的2倍(0.15mA/cm2)。在線性掃描伏安(LSV)的測(cè)試中，敏化后的TiO2納米樹光陽(yáng)極在偏壓1V時(shí)的光電流密度1.5mA/cm2，是敏化后的TiO2納米棒的1.5倍(1.0mA/cm2)。分形結(jié)構(gòu)的TiO2納米樹相比于TiO2納米棒具有更大的比表面積，一方面增強(qiáng)了對(duì)光的吸收，另一方面可負(fù)載更多的量子點(diǎn)。并且Ti

5、O2納米樹的枝干交界處形成了金紅石/銳鈦礦的異質(zhì)結(jié)，有利于電荷的有效分離和傳輸。因此，分形TiO2納米樹異質(zhì)結(jié)構(gòu)在高效率的光電能源裝置的應(yīng)用方面具有很大的潛力。
　　通過(guò)兩步水熱法，在FTO襯底上生長(zhǎng)了MoS2納米薄片敏化的TiO2納米棒陣列。通過(guò)改變MoS2單源前驅(qū)體的濃度，制備出了不同MoS2含量的MoS2/TiO2樣品。隨著濃度的增加，MoS2的形貌表現(xiàn)出由納米薄片(MNP)到納米球(MNS)的轉(zhuǎn)變。MNP的負(fù)載大大增加了T

6、iO2納米棒的比表面積，其固有窄帶隙，將TiO2納米棒對(duì)太陽(yáng)光的吸收范圍拓寬至可見光區(qū)域，且MNP邊緣具有很多缺陷，有利于光催化反應(yīng)盼進(jìn)行。結(jié)果表明，最優(yōu)的MoS2/TiO2電極展示出了最高的光電流密度(0.293mA/cm2)以及最大的的光催化降解歲丹明B(RhB)速率常數(shù)(9.21×10-3/min)，分別是普通TiO2電極的9和2.4倍。說(shuō)明，MoS2與TiO2的接觸界面和異質(zhì)結(jié)可以加速電荷轉(zhuǎn)移，抑制電子-空穴對(duì)（e--h+）的復(fù)