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二氧化钛纳米管阵列薄膜的制备及性能研究 作为一种重要的有机发热材料，ti8目前具有重要的应用前景。例如，在太阳能光解水、污水处理和薄膜容量方面。 但禁带宽度约3.2 eV的TiO2激发产生电子-空穴对时需用紫外线光照射, 而紫外光只占太阳光的5%左右, 其电荷载流子复合速率很快, 所以其在太阳光下的光催化活性及对污染物的降解效率不高, 从而限制了TiO2光催化剂的广泛应用。 大量研究实验证明, 通过掺杂可有效提高TiO2的光催化活性, 拓宽其光响应范围。 目前对于TiO2掺杂方法很多, 主要有非金属掺杂和金属掺杂。 非金属元素掺杂TiO2具有可见光活性的原理一般是在TiO2中引入晶格氧空位, 或部分氧空位被非金属元素取代, 形成TiO2-xAx(A代表非金属元素)晶体, 降低TiO2的禁带宽度, 从而拓宽TiO2的光响应范围。 金属掺杂主要有稀土金属掺杂、 过渡金属掺杂、 贵金属掺杂。 最近, 研究人员发现二氧化钛纳米管比起二氧化钛的其他形式, 在光催化方面有极大的提高和改善, 解决了TiO2粉体材料难以回收利用的问题。 所以近年来二氧化钛纳米管的掺杂已经成为研究的热点。 目前对二氧化钛纳米管掺杂的主要方法有: 溶胶凝胶法、 水热法、 阳极氧化法、 电泳沉积再阳极氧化法、 高温雾化法、 光沉积法等。 Asahi等通过理论计算, 用氮离子掺杂, 替代氧化钛中的氧离子最适合。 因为氮与氧的半径相近, 氮比较容易取代氧; 再者氮的P态与氧离子的P态相互作用后, 可降低氧化钛的禁带宽度。 Shankar等通过在电解液中加入氮离子, 获得掺氮的氧化钛纳米管。 阳极氧化法制备二氧化钛纳米管具有操作简单, 参数易控制的优点。 本文选择阳极氧化法制取二氧化钛纳米管, 在热处理的过程中提供氨气氛进行氮掺杂。 1 实验 1.1 酶法装置营造蒸发-清洗-清洗法,制备高效低水势空气剂.甲基橙,制度多聚甲基-甲基甲基g3,甲基橙2. 钛片(纯度≧99%), HF酸(浓度≧40%), 浓氨水(分析纯), 无水乙醇(分析纯), 自制阳极氧化法装置, 超声清洗器(SG1200HE), 甲基橙, 管式炉。 1.2 样品的制备和分析方法 将钛片制成20 mm×30 mm×1 mm的片状, 用砂纸打磨钛片, 然后放入无水乙醇中超声清洗10 min, 吹干待用。 配置1 L 0.5%的HF酸溶液, 将钛片在HF溶液腐蚀1～2 min, 用自制阳极氧化装置氧化40 min, 氧化电压为 20 V, 制得未掺杂的二氧化钛纳米管。 将制得的二氧化钛纳米管放入管式炉中, 在400 ℃下热处理2 h, 随炉冷却, 得到未掺杂的二氧化钛纳米管。 另将盛有浓氨水的坩埚置于管式炉中, 在400 ℃下将钛片热处理2 h, 随炉冷却, 制得N掺杂的二氧化钛纳米管。 采用日本电子株式会社JSM-6330F型场发射扫描电子显微镜对钛片表面和横断面形貌进行表征, 采用德国Bruker-AXS公司D8 Advance型多晶X射线衍射仪测定样品的晶型结构。 采用ESCALAB 250型X射线光电子能谱仪测定掺杂样品的元素成分, 扫描范围1～1100 eV, 采用日本岛津公司UV-2501PC型紫外-可见吸收光谱仪测定样品的紫外可见漫反射光谱, 扫描波长 230～680 nm。 采用上海菁华科技有限公司721型分光光度计研究试样的光催化性能。 分别在放有一定量未掺杂二氧化钛纳米管、 一定量N掺杂二氧化钛纳米管、 空白的培养皿中加入20 ml一定量浓度的甲基橙溶液, 以30 W的紫外灯为光源, 进行光照, 采用分光光度计, 测量465 nm处甲基橙溶液的吸光度, 每隔30 min测试一次。 根据下式计算甲基橙的分解率 α=1?AtA0(1)α=1-AtA0(1) (初始吸光度A0; 溶液的吸光度At) 2 结果与讨论 2.1 纳米管和金属钛底 图1为400 ℃热处理的未掺杂和N掺杂的TiO2纳米管的场发射扫描电镜图。 由图可见, 通过阳极氧化, 钛片表面生长出了一层排列规则的纳米管状阵列膜。 纳米管之间互不粘连, 朝向一致, 纳米管与金属钛基底之间结合牢固, 不易脱落。 实验所制得的未掺杂二氧化钛纳米管和N掺杂的二氧化钛纳米管管径较均匀, 基本都分布在70～80 nm, 壁厚在5～10 nm, 管长在400～500 nm。 2.2 晶型和晶型的变化 图2为未掺杂、 N掺杂的二氧化钛纳米管400 ℃热处理后的XRD图。 结果表明, 二氧化钛纳米管在400 ℃条件下热处理2 h后, 得到的未掺杂二氧化钛纳米管分别在25.3°和48.2°左右出现锐钛矿结构的特征峰(与JCPDS, CARD No.21-1272相一致); 这说明在400 ℃, 经过2 h的热处理, 二氧化钛纳米管已经由无定型转变为锐钛矿