负载Cu2O型TiO2纳米管的制备表征及其光电性能研究

摘要

随着社会和经济的发展,能源短缺和环境污染逐渐成为两大世界性亟待解决的问题。许多科研单位和科研工作者都致力于这两大世界性问题的解决。利用半导体材料来实现太阳能的转化和废水中有机物的降解成为近年来的研究热点。到目前为止,TiO2因其无毒、价廉、化学稳定性佳以及光催化活性高等优点而成为研究最多的功能半导体材料之一。常规的颗粒状TiO2因其在基底上的负载而使得有效的比表面积急剧减少,而且应用过程中所产生的光生电子和空穴对易于复合逐渐成为限制其应用的关键性因素。此外,由于TiO2禁带宽带较宽(锐钛矿约为3.2eV,金红石约为3.0 eV),这使得TiO2仅能吸收利用只占太阳光谱约3～4％的紫外光。因而,关于新形貌TiO2的制备和对TiO2的可见光改性,从而提高其对太阳能的利用率,成为目前关于TiO2这一重要的光催化型半导体研究领域的重点课题之一。
　　 本课题针对传统颗粒状TiO2的不足,提出了管状TiO2纳米材料的制备以及窄禁带半导体对其可见光响应复合改性的设想。本论文首先采用阳极氧化法在金属钛基底上制备出了高度有序的TiO2纳米管阵列薄膜,然后采用脉冲电流法在TiO2纳米管阵列上沉积负载Cu2O,从而制备出了Cu2O-TiO2纳米管阵列异质结复合薄膜。借助场发射扫描电子显微镜(FESEM)、X射线衍射仪(XRD)、漫反射紫外-可见分光光度计(UV-Vis)以及光电流测试等表征和测试手段,详细探讨了Cu2O沉积过程中的电解液的搅拌方式(静止、磁力搅拌和超声搅拌)和脉冲沉积电流密度的大小(0.2mA/cm2-1.5mA/cm2)等参数对复合薄膜形貌、物相以及光电性能的影响。
　　 由形貌分析和物相研究可知,所制备的TiO2纳米管阵列高度有序、分布均匀,管径约为100nm,管长约为400 nm,其上负载的Cu2O的形貌随脉冲沉积电流增加的变化规律为不规则团簇分叉枝状,团簇削角八面体状,分散生长的削角八面体状逐渐过渡到分散交替生长的完整八面体;磁力搅拌和超声搅拌条件下Cu2O的生长规律转变比静止条件下有所滞后,但有利于获得单一物相的Cu2O晶体。
　　 漫反射紫外-可见吸收光谱测试和光电流性能测试表明,在模拟可见光照射下,所制备的负载Cu2O型TiO2纳米管阵列薄膜比未负载Cu2O的TiO2纳米管阵列薄膜具有显著增强的可见光响应;采用脉冲沉积电流密度为1.0mA/cm2沉积Cu2O制备的Cu2O-TiOz纳米管异质结薄膜的光吸收性能和光电流测试性能最好。