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引言 一维(1-D)半导体纳米材料，尤其是纳米管状(2)

2013-06-09 01:10
　　
　　2 结果和讨论
　　
　　当电化学反应开始后，在阴极（铂电极）有大量氢气产生，阳极的钛片被快速氧化腐蚀,产生大量白色沉淀。大约40 min 后，4×4 cm 的钛片浸入电解液部分被完全氧化为白色TiO2纳米管粉体而沉降在反应器底部。图1(a)表明采用快速阳极氧化得到的TiO2 纳米管规整排列呈管束状，单根纳米管的外径大约为20 nm，TiO2 纳米管的长度达数微米，因此具有很高的长径比。数百根TiO2 纳米管相互排列在一起，形成TiO2 纳米管粉末。为了进一步证实所制备的TiO2 纳米管粉的微结构，图1(b)所示的是刚制备的TiO2 纳米管的TEM 图。结果表明所制得的TiO2 纳米管直径约为20 nm 左右，纳米管内外表面光滑，这与图1(a)的FESEM结果是一致的。同时，由图1(b)还可以观察到，TiO2 纳米管的内径约为10 nm，管壁厚度约5 nm，TEM 图中出现的指纹图样说明有轻微的结晶发生。以上结果表明通过快速阳极氧化法，成功而快速的制备了具有高长径比，超细管径的TiO2 纳米管粉。
　　图是TiO2 纳米管粉在300oC、550oC 热处理后的FESEM 图，结果表明TiO2纳米管粉形貌有一定改变，但管状的形貌还是清晰明显。这对于作为光催化剂的TiO2 纳米管粉来说，保持管状形貌并拥有高长径比对光催化活性有密切关系。图是TiO2 纳米管粉在700oC 热处理后的FSEM 图，结果表明退火后TiO2 纳米管粉由于结晶过程其形貌改变较大，晶粒大小从图中估计约200 nm 以上，TiO2 纳米管的原始管状结构遭到破坏坍塌。图中的FESEM 结果表明，热处理温度对TiO2 纳米管粉的表面形貌有很大影响，当温度在550oC 下时，TiO2 纳米管状形貌能够基本保持，当温度在700oC 时原始管状形貌坍塌破坏。
　　图是TiO2 纳米管粉在不同热处理温度前后的XRD 衍射图样。结果表明刚制备的TiO2纳米管粉XRD 衍射图样显示出微弱的锐钛矿信号，说明刚制备的TiO2 纳米管粉只有轻微地结晶，这与图TEM 发现的结果是一致的。图表明，当热处理温度在300oC 和450oC时，TiO2 纳米管粉呈单一的锐钛矿相，当热处理温度在550oC 时，TiO2 纳米管粉呈锐钛矿和金红石混合相，当热处理温度在700oC 时，TiO2 纳米管粉呈单一的金红石相。也就是说当热处理温度从300oC 增加到700oC，TiO2 纳米管粉经历了从单一锐钛矿相到锐钛矿金红石混合相，最后从锐钛矿金红石混合相到单一金红石相，这样一个晶体结构转变的过程。 （科教作文网http://zw.ΝsΕAc.com发布）
　　图是TiO2 纳米管粉在不同热处理温度下的光催化活性比较。实验结果表明，在没有加入TiO2 纳米管粉光催化剂的时候，甲基橙在紫外灯照下稍微有一定程度的光分解现象，但不影响其作为指示剂表征TiO2 纳米管粉的光催化活性；当TiO2 纳米管粉在300oC、450oC和550oC 下进行热处理后，都具备光催化降解甲基橙水溶液的光催化活性，它们在80 分钟内使0.02g/L 的甲基橙水溶液基本上完全降解，图左下的插图反映了甲基橙被光降解而褪色的过程；当TiO2 纳米管粉700oC 热处理后，甲基橙降解曲线和没有加入TiO2 纳米管粉时的光分解曲线几乎重合，说明在700oC 热处理后的TiO2 纳米管几乎没有光催化活性，不能有效降解甲基橙水溶液。造成这个现象的原因有两个方面：a) 当TiO2 纳米管粉在700oC 热处理后，其晶体结构呈单一金红石相，而金红石相的光催化活性较低。b) 700oC 热处理后，由可以看出晶粒直径在200 nm 以上，原始的纳米管状结构已经坍塌破坏并结成块状，因此光催化反应活性面积锐减导致光催化活性降低；当热处理温度从300oC 增加到450oC，再到550oC，其光催化活性相应增加，到550oC 时具有最强的光催化活性。原因是随着热处理温度增加，TiO2 纳米管的结晶性增加，并从单一锐钛矿相转变为锐钛矿和金红石混合相，混晶效应会促进光生电子·空穴对的分离，进而提高光催化活性。基于以上讨论，可以发现TiO2 纳米管粉在550oC 下热处理后呈锐钛矿金红石混合相，具有最佳光催化活性。