FTO基底上TiO2纳米线阵列合成与修饰及其光催化性能研究

近几年，以TiO2纳米材料为核心的应用不断增加。在一些重要领域，如能量产生，累积，保存以及环境污染物降解中一些很具潜力的技术都是以TiO2纳米材料为基础的。TiO2作为一种n型半导体材料，由于特殊的光响应性质，引起了科学家们的广泛兴趣。尤其是低维尺寸的TiO2纳米材料，例如纳米线和纳米管，更是在最近得到了极大地关注。TiO2纳米线阵列依赖于形貌的独特的物理、化学、光电性质，使其在环境可持久性有机污染物质的处理技术中具有重要意义。在本工作中，具体研究内容如下所列：（1）采用两步溶剂热合成法成功实现了在FTO导电玻璃表面生长TiO2纳米线阵列。由XRD、SEM、TEM表明TiO2纳米线阵列为金红石型，具有较高的垂直定向性以及对FTO良好的附着能力。TiO2纳米线长度为0.4-0.8μm，直径为10nm-20nm。通过BET测试表明，通过该方法合成的TiO2纳米线阵列拥有比P25更大的比表面积，使其对污染物质具有更好的吸附能力，从而促进了TiO2纳米线表面光催化反应的进行。（2）通过光致还原法成功合成了Ag/TiO2纳米线阵列复合材料。从TEM影像图可以观察到TiO2纳米线表面的Ag纳米颗粒分布均匀，且尺寸小于10nm。通过EDX和XPS能量弥散谱图证明Ag单质与Ag+共同存在于TiO2纳米线的表面。在紫外-可见漫反射吸收中，复合材料在可见光区有明显的吸收峰，这是由Ag纳米粒子的等离子共振效应引起的，从而使复合材料具有较好的光敏性；同时复合材料在Cr（VI）的光还原应用中表现出了优异的光催化活性：当体系中酒石酸浓度为24mM时，在可见光照射的条件下，复合材料对Cr（VI）的光还原速率为476.2μg/L min-1cm-2，且当酒石酸浓度为80mM时，反应速率达到一个饱和值1000μg/L min-1cm-2。实验证明，复合材料在pH=2的强酸性环境下，对Cr（VI）具有高光催化还原活性；相反，在碱性环境中，复合材料对Cr（VI）无任何光催化还原活性。除此之外，高离子强度也会明显抑制复合材料对C（rVI）的光催化还原活性。动力学研究表明复合材料对Cr（VI）的光催化还原符合拟一级反应动力学模型，但与粉体的均匀分散不同使得反应分为两个阶段，且后段的反应速率常数远远大于初始阶段。在对复合材料的光催化机理的研究中，通过实验和分析不同小分子有机酸的结构差异，发现了具有对称结构以及p-π共轭效应的酒石酸使复合材料展现出最高的光催化活性，并建立了对应的光催化机理模型。通过测试表明，生长在FTO导电玻璃上的Ag/TiO2纳米线阵列复合材料具有良好的循环利用性能。（3）采用H2O2原位氧化法成功合成了Ag3PO4/TiO2纳米线阵列复合材料。通过TEM影像图可以观察到TiO2纳米线表面的Ag3PO4纳米颗粒分布均匀，且尺寸极小，大约只有2nm左右。通过EDX表征复合材料的化学元素组成，证明了在TiO2纳米线的表面存在的极小颗粒为Ag3PO4。对复合材料进行Mott-schottky曲线电化学测试，表明复合材料薄膜具有了p型半导体的性质。在光电流测试中，复合材料相比未负载的TiO2纳米线阵列具有更大的光电流密度，其大小为0.06mA/cm2。同时复合材料的吸收边在紫外可见漫反射吸收测试中表现出明显的红移现象。这些都表明复合材料具有更小的带隙能（2.7ev）和更高的光敏性，从而能够产生更多的光生载流子。选择RhB来表征Ag3PO4/TiO2纳米线阵列复合材料的光催化性能。实验证明：强酸性环境有利于复合材料对RhB的光催化氧化，而且复合材料在24mM的酒石酸体系中，展现出了比无酒石酸存在时高的多的光催化活性。动力学研究表明复合材料对RhB的光催化氧化符合拟一级反应动力学模型，且酒石酸存在时的反应速率常数是无酒石酸时的3倍。最终，通过测试表明，生长在FTO导电玻璃基底上的Ag3PO4/TiO2纳米线阵列复合材料具有优秀的循环利用性能。