TiO2纳米管的制备及应用研究进展论文.docVIP

TiO2纳米管的制备及应用研究进展 目 录 摘 要 1 Abstract 2 前 言 3 第一章 TiO2 纳米管的概况 4 1.1 TiO2 纳米管的晶型和形貌 4 1.2 TiO2 纳米管的化学组成 5 第二章 TiO2 纳米管的制备及改性方法 6 2.1 模板法 6 2.2 阳极氧化法 6 2.3 水热合成法 7 2.4 浓碱处理法 8 2.5 TiO2 纳米管的改性方法 8 2.5.1非金属掺杂 9 2.5.2金属掺杂 9 2.5.3半导体复合 10 第三章 TiO2 纳米管的应用领域 11 3.1 降解污染物 11 3.2 染料敏化太阳能电池 12 3.3 光解水制氢 13 3.4 气敏传感器材料 13 3.5 其他方面应用 14 第四章 TiO2纳米管发展趋势及应用的展望 15 参考文献 17 致 谢 20 第一章 TiO2 纳米管的概况 1.1 TiO2 纳米管的晶型和形貌 TiO2 有三种晶体结构[1,6]，金红石、板钛矿和锐钛矿（如图 1-1 所示）。这些结构的共同点是其组成结构的基本单位是 TiO6 八面体，区别在于它们是由 TiO6 八面体通过共用顶点还是共边组成骨架。锐钛矿结构是由 TiO6 八面体共边组成，而金红石和板钛矿是由 TiO6八面体共顶点且共边组成。 金红石 板钛矿 锐钛矿 图1-1 二氧化钛的三种晶体结构 Graham 等[7]用水热法合成的TiO2 纳米管的晶型为TiO2-B，具有单斜结构的TiO2 是以 TiO6八面体为基础通过共用边和共顶点形成的多晶，不同于锐钛矿相、金红石相和板钛矿相，密度比上述三种晶型都稍低。但其XRD 结果表明，TiO2_B 的结构中仍有痕量的锐钛矿相。梁建等[8]用水热法合成，控制温度 130 ℃，晶化时间 2~3 h，成功制备了多层的锐钛矿和金红石混晶的TiO2 纳米管。王保玉等[9]研究发现，TiO2 纳米管为多层管，每个单层相当于一个氧化钛分子的厚度，层与层之间不存在化学键，Ti在纳米管中的配位和八面体结构未达到饱和，拉曼光谱表明，TiO2 纳米管以无定型的形态存在。Tomoko 等[10]用10 mol/L 的NaOH 溶液水热条件下110 ℃ 处理 20 h，得到具有针状结构的纳米管，晶型为锐钛矿型。可见 TiO2 纳米管的晶型，随着水热处理的温度和时间变化而有所不同。 王保玉等[9]以 TiO2 为原料制备成 TiO2 纳米管，通过不同温度焙烧得到不同的样品，用SEM、XRD 等手段详细地研究了温度对晶型比表面积的影响。在 300 ℃和 400 ℃焙烧存在着两次比表面积的突降，用浓碱处理法合成的纳米管在 400 ℃时，比表面积降到很小，管的结构被严重破坏。用浓碱处理法合成的 TiO2 纳米管是无定型的，而模板法制备的纳米管为锐钛矿型。这可能是因为浓碱处理法制备的纳米管为多层，层与层之间不能形成三维空间的点阵结构。而王芹等[11]研究则发现钛纳米管经过 400 ℃热处理后能保持其纳米管的形貌，600 ℃有纳米管间烧结的现象，800 ℃ 时管的形状被完全破坏。可见合成方法不同，氧化钛纳米管的热稳定性也有很大的差异。 TiO2 纳米管的特征: (1) 大多数纳米管是非对称的；(2) 大部分纳米管是卷曲型的；(3) 几乎所有的纳米管是顶端开口或是两端开口的；(4) 所有纳米管为多层纳米管。在水热处理的过程中，除了生成纳米管本身的一级结构外，还存在纳米管之间的聚集，因而产生了TiO2 纳米管的二级结构。Bavykin等[12]研究发现，纳米管的二级结构取决于前驱体 TiO2 的量和所用 NaOH 的体积，其比例越小，生成的TiO2 纳米管越倾向聚集成球状。这可能是由于在水热条件下生成纳米管的过程是一个比较缓慢的过程，影响因素较复杂。 1.2 TiO2 纳米管的化学组成 人们对 TiO2 纳米管本身的化学组成存在不同看法，比如：到底是二氧化钛、钛酸盐还是钛酸？近年来大家对这些方面都进行了一些探讨，彭练矛等对此做出了一系列工作[13,14,15]，他们通过用 HCl 溶液处理和不用 HCl 溶液处理的纳米管的对比发现，酸处理并没有促进纳米管的生成，而是在纳米管中引入更多的缺陷。用 XRD和能量损失谱研究孤立纳米管的成分，发现氧和钛的原子比为不定值，化学分析和红外光谱表明材料中含有成键的氢，这也就是说目前所认为的TiO2 纳米管都是由钛酸盐或钛酸组成。王芹等[11]将酸性溶液处理所得的 H2TiO3 纳米管于 400 ℃热处理，失水而成锐钛矿型氧化钛，并能保持其纳米管形貌显示出纳米管具有较好的热稳定性，这一观