二氧化钛纳米管及其复合结构的电沉积制备研究凝聚态物理专业论文.docxVIP

摘 摘 受 摘 要 二氧化钛(Ti02)是一种重要的宽禁带半导体材料，在光解水制氢、光催化 降解有机物、染料敏化太阳能电池(DSSC)等方面有着广阔的应用前景。与Ti02 薄膜相比，Ti02纳米管阵列具有比表面积大，耿向性好等特点，此类纳米结构有 望提高Ti02的性能。而Ti02纳米管的复合结构(如核壳结构等)除了具有Ti02 纳米结构的性能之外还可能兼具新的功能特性。因此对Ti02纳米管及其复合结 构的制备和应用进行深入研究具有重要意义。 本文采用电沉积的方法，以多孔氧化铝(AAO)为模板，通过一步或者两 步电沉积制备Ti02纳米管及其各种复合结构，研究了它们的生长机制和在DSSC 方面的应用。主要内容如下： 1．电沉积制备Ti02纳米管 以AAO为模板，在含有TiFa的电解液中，通过电沉积的方法可以制备管壁 均一的Ti02纳米管。纳米管外径和长度可以通过AAO模板的孔径和厚度来控制， 纳米管壁厚可以通过改变沉积时问或者TiF。浓度来控制。在负电位作用下，Ti02 会在整个AAO模板孔洞内壁上快速同步沉积，只需5分钟就可以得到长度等于 模板孔洞长度的完整纳米管(约60¨m)。与阳极氧化得到的Ti02纳米管相比， 用电沉积制备的Ti02纳米管顶端是丌口的，而且底部与背面的Au膜直接相连， 这种结构与AAO模板非常类似，因此可以直接作为模板用来沉积其它材料得到 Ti02纳米管复合结构。 2．利用Ti02纳米管为模板制备各种复合结构 用电沉积得到的Ti02纳米管为模板，通过二次电沉积可以把各种会属沉积 到Ti02纳米管中形成核壳结构。通过SEM观察我们发现用这种两步电沉积法制 备的Ti02纳米管核壳结构填充率很高(接近100％)，长度由金属的沉积时间来 决定，最长可以达到AAO模板的厚度(约60岬)。改变沉积条件还可以得到金 属／Ti02的双壁纳米管结构。通过比较AAO为模板和Ti02纳米管为模板得到的 产物，我们发现在同样的沉积条件下，各种金属在这两个模板中的沉积是类似的， 说明这种两步电沉积法是一个通用的制备Ti02纳米管复合结构的方法。其它可 以用电沉积方法在AAO模板中形成纳米管或者纳米棒的材料也可以沉积到Ti02 纳米管中形成各利一复合结构。因此这种制备Ti02复合结构的方法是一种通用的 方法。 3．一步法制备Ti02纳米管的复合结构及其生长机制的研究 在含有TiF。和NiCl2的电解液中，用一步电沉积也可以得到Ni／Ti02的核壳 摘 摘 要 结构，其中Ti02的壁厚和核壳结构的长度(既连续Ni纳米棒长度)可以分别通 过改变电解液中TiF一的浓度和沉积时问来控制。提高沉积电位还可以得到非连 续的Ni纳米颗粒链填充到Ti02纳米管中的复合结构。我们认为这两种复合结构 的生长机制是：在沉积过程中TiF4水解形成Yi02是一个快速的过程，当Ni离子 还原形成金属Ni时，Ti02纳米管已经形成，因此Ni可以沉积在Yi02纳米管中， 这是形成复合结构的基础；同时当Ti02纳米管中产生的H2来不及扩散时会形成 气泡，Ni就会在Ti02纳米管中形成非连续的纳米颗粒链，而当H2能及时从纳米 管中扩散出去时，Ni就会在Yi02纳米管中形成连续的纳米棒。除了Ni，其它材 料比如Co、CdS等也可以用类似的方法用一步电沉积得到它们与Yi02纳米管的 复合结构。 4．染料敏化太阳能电池的制备 我们把电沉积制备的Ti02纳米管和Ni／Ti02核壳结构应用到DSSC中，退火 之后的Ti02纳米管组装的DSSC可以『F常工作但效率很低，而Ni／Ti02核壳结构 组装的DSSC不能『F常工作，这方面还需要进一步的摸索。 关键词：二氧化钛(Ti02)，Ni，纳米管，电沉积，复合结构，模板，染料敏化 太阳能电池(DSSC) AbstractTitania(Ti02)is Abstract Titania(Ti02)is all important wide—gap band semiconductor．It has been found wide use in the field of water photolysis，photocatalysis，dye-sensitized solar cells (DSSC)，and SO on．Compared with other morphoiogic forms of Ti02，nanotube arrays and their compositions(such as core／shell structure)are expected to exhibit improved and novel functional characteristics，due to their higher