TiO2纳米管阵列可控制备及其改性研究

阳极氧化法制备的TiO2纳米管阵列,因其独特的性质和稳定的物理化学性能,在气敏元器件材料、光催化降解有机污染物材料、染料敏化太阳能电池材料及超级电容器材料等方面有着广阔的应用前景。本文围绕阳极氧化工艺制备高度有序排列的TiO2纳米管阵列,探索最理想的阳极氧化工艺,实现TiO2纳米管阵列的可控制备,并在阳极氧化制备的TiO2纳米管阵列的基础上,分别对纳米管进行N掺杂和Pt纳米颗粒修饰。采用FESEM、XRD、XPS、TEM和EDS等表征手段,详细阐述了TiO2纳米管阵列形貌特征与阳极氧化工艺参数的关系,分析了纳米管阵列的生长机理,并进一步研究了纳米管阵列的光催化机理及气体传感特性。主要研究结果如下:
　　(1)常规一次阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列的过程中,当氧化电压处于20~70V范围时,均可制备得到高度有序的TiO2纳米管阵列。随着氧化电压的增大,TiO2纳米管阵列管长逐渐变长,但当氧化电压超过80V后,TiO2纳米管阵列管长开始减小;随NH4F浓度的增大(0.05mol/L→0.2mol/L),纳米管外径急剧减小,在其浓度为0.2mol/L时,管外径最小,之后随着NH4F浓度的增大,纳米管外径出现持续增大的现象;而TiO2纳米管阵列内径及管壁厚度与NH4F浓度的关系基本上是一种先减小后增大的变化规律。
　　(2)在丙三醇电解液体系中,通过控制阳极氧化电压(10~55V)制备了管径连续变化的TiO2纳米管阵列。纳米管管径与氧化电压之间基本呈现线性关系(d=3.625×U)。
　　(3)两次阳极氧化法制备了表面平整的TiO2纳米管阵列,研究了两次阳极氧化过程中电压参数对TiO2纳米管阵列形貌结构的影响。结果表明:70V+70V条件下两次阳极氧化制备的TiO2纳米管阵列表面极其平整,与其他三种条件下制备的样品相比,其形貌更加完美。
　　(4)采用浸泡法制备了N掺杂的TiO2纳米管阵列,N元素掺杂没有破坏纳米管的表面形貌和高度有序的管状结构,且N掺杂降低了TiO2纳米管的晶型转变温度,在500℃退火后N-TNAs中出现了金红石相。与纯TiO2纳米管阵列相比,N-TNAs的光电流有较大提高,且随着退火温度的升高(300~700℃),N-TNAs的光电流先升高后降低,500℃退火后的N-TNAs具有最大的光电流。同时,N的掺杂有助于TiO2纳米管阵列光催化活性的改善,使其具有较为明显的可见光光催化性能。
　　(5)通过溶剂热还原法制备Pt纳米颗粒修饰的TiO2纳米管阵列,Pt纳米颗粒直径约为20nm,均匀分布在TiO2纳米管的管口及内壁处。在Pt-TNAs的气敏测试过程中,改性后的纳米管阵列对酒精气体、丙酮气体、氨气及氧气均具有良好的气敏响应特性,且Pt-TNAs具有较好的气敏响应稳定性。随着测试工作温度的升高,Pt-TNAs对乙醇气体的气敏响应传感性能得到提高。在对乙醇气体、丙酮气体及氨气的气敏选择性实验中发现,Pt-TNAs传感器对氨气具有良好的选择性。通过气敏元器件对还原性气体和氧化性气体的响应曲线分析,讨论了TiO2(Pt-TNAs)纳米管阵列的气敏传感机理。