基于量子点的正方块状二氧化钛纳米晶的形成分析

CdS量子点敏化TiO2纳米管阵列的制备及其光电性能研究的开题报告一、课题背景以太阳能光电转换为代表的可再生能源被认为是未来能源领域的关键技术之一。

作为太阳能电池中的主要材料之一，二氧化钛（TiO2）因其结构简单、四面体对称、化学稳定、生物相容性好等特性而备受关注。

传统上，TiO2薄膜电极常用于染料敏化太阳能电池中。

然而，TiO2纳米管阵列电极相对于TiO2薄膜电极拥有更高的比表面积、更好的电子传输性能和更优异的光学性能。

因此，TiO2纳米管阵列电极是目前研究的热点之一，同时制备与表征TiO2纳米管阵列电极的方法也受到广泛研究。

CdS量子点是一种新兴的碲族半导体纳米材料。

由于其量子尺寸效应和带边调节作用，CdS量子点具有可调谐的光学特性、较高的激子效率和较长的激子寿命。

CdS量子点敏化的TiO2纳米管阵列电极能够使用可见光较好的吸收率，提高太阳能电池的转换效率。

因此，研究CdS量子点敏化TiO2纳米管阵列电极的制备方法和光电性质具有重要的意义。

二、研究目的本课题旨在研究CdS量子点敏化TiO2纳米管阵列电极的制备工艺，探索其光电性能，并进一步优化太阳能电池性能。

三、研究内容和方法本课题的主要研究内容包括以下几个方面：1. 制备CdS量子点敏化TiO2纳米管阵列电极的方法：采用阳极氧化法在Ti板上制备TiO2纳米管阵列电极，并通过浸渍法或物理还原法在电极表面负载CdS量子点。

2. 表征CdS量子点敏化TiO2纳米管阵列电极的性质：采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、紫外可见漫反射光谱（UV-vis DRS）、X射线衍射（XRD）等方法对制备的CdS量子点敏化TiO2纳米管阵列电极进行表征。

3. 测定CdS量子点敏化的TiO2纳米管阵列电极在光电转换中的性能：采用电化学工作站进行电化学性能测试，包括光电流-电压曲线（I-V 曲线）、电化学阻抗谱（EIS）和循环伏安（CV）曲线测量等。

《纳米结构二氧化钛的可控制备及其光催化和光电性能》篇一摘要：本文主要探讨纳米结构二氧化钛（TiO2）的可控制备技术，并对其光催化和光电性能进行深入研究。

通过多种实验方法，我们成功制备了不同形貌和尺寸的TiO2纳米结构，并对其性能进行了详细分析。

本研究的目的是为未来TiO2纳米材料在光催化、光电转换等领域的实际应用提供理论支持和实验依据。

一、引言纳米科技在近几十年得到了迅速发展，特别是在光催化、光电转换等应用领域，纳米材料以其独特的物理和化学性质，显示出巨大的应用潜力。

作为其中一种重要的半导体材料，二氧化钛（TiO2）纳米结构因其在光催化、光电器件、太阳能电池等方面的广泛应用而备受关注。

因此，研究其可控制备技术及其性能具有十分重要的意义。

二、纳米结构二氧化钛的可控制备（一）制备方法目前，制备TiO2纳米结构的方法主要有溶胶-凝胶法、水热法、化学气相沉积法等。

本实验采用溶胶-凝胶法和水热法相结合的方法，通过调整实验参数，成功制备了不同形貌和尺寸的TiO2纳米结构。

（二）实验过程1. 原料准备：选用高纯度的钛源和适当的溶剂。

2. 溶胶-凝胶过程：将钛源与溶剂混合，经过水解、缩合等反应形成溶胶，再经过干燥、热处理等步骤形成凝胶。

3. 水热处理：将凝胶置于水热反应釜中，在一定温度和压力下进行水热处理，得到不同形貌的TiO2纳米结构。

三、光催化性能研究（一）实验方法通过光催化降解有机污染物实验，评价TiO2纳米结构的光催化性能。

选用典型的有机污染物如甲基橙、罗丹明B等作为目标降解物。

（二）结果分析实验结果表明，不同形貌和尺寸的TiO2纳米结构对有机污染物的光催化降解效率存在显著差异。

其中，具有较大比表面积和良好结晶度的TiO2纳米结构表现出更高的光催化活性。

此外，光催化性能还与TiO2的晶型、表面缺陷等因素有关。

四、光电性能研究（一）实验方法通过测量TiO2纳米结构的光电流-电压曲线、光谱响应等参数，评价其光电性能。

《纳米结构二氧化钛的可控制备及其光催化和光电性能》篇一一、引言纳米技术已经对材料科学、化学、物理学和工程学等多个领域产生了深远影响。

其中，纳米结构二氧化钛（TiO2）作为一种重要的光催化剂和光电材料，其可控制备及其性能研究显得尤为重要。

本文旨在探讨纳米结构二氧化钛的可控制备方法，并对其光催化和光电性能进行深入分析。

二、纳米结构二氧化钛的可控制备（一）制备方法目前，制备纳米结构二氧化钛的方法主要有溶胶-凝胶法、水热法、气相法和物理气相沉积等。

这些方法都可以实现对二氧化钛纳米材料的可控制备，如控制其形貌、尺寸和晶体结构等。

其中，溶胶-凝胶法和水热法常用于制备高比表面积、晶型丰富的纳米材料，而气相法和物理气相沉积法则更多地被用于薄膜的制备。

（二）可控制备的进展随着科技的发展，科研人员不断改进了纳米结构二氧化钛的可控制备方法。

通过调节合成过程中的参数（如温度、压力、浓度等），可以实现对二氧化钛纳米材料的尺寸、形貌和晶体结构的精确控制。

此外，通过掺杂其他元素（如氮、硫等），还可以进一步提高其光催化和光电性能。

三、光催化性能（一）光催化原理纳米结构二氧化钛的光催化性能主要源于其能吸收紫外光并产生光生电子和空穴。

这些光生载流子具有强氧化还原能力，可以与吸附在表面的物质发生反应，从而实现光催化作用。

（二）应用领域纳米结构二氧化钛的光催化性能在环境保护、能源开发等方面有着广泛的应用。

例如，可以利用其光催化性能降解有机污染物、净化空气和水；同时，也可以利用其光电性能制备太阳能电池等新能源设备。

四、光电性能（一）光电性能特点纳米结构二氧化钛具有优异的光电性能，如高光响应、低暗电流等。

这些特点使得其在光电领域有着广泛的应用前景。

（二）应用领域纳米结构二氧化钛的光电性能主要应用于太阳能电池、光电传感器等领域。

其中，在太阳能电池中，二氧化钛可以作为光阳极材料，提高太阳能的利用率和转换效率。

在光电传感器中，二氧化钛则可以作为敏感材料，实现对光信号的快速响应和检测。

二氧化钛纳米材料的合成、性质、改性及应用中文摘要在全球性环境污染日趋严重的今天，如何高效地治理环境污染引起世界各国的广泛关注。

具有高量子效率、能充分利用太阳能的高活性光催化剂的制备与应用，已成为材料学、化学、环境科学和能源科学等领域广泛关注和研究的热点课题．而二氧化钛作为一种性能稳定的高效光催化剂，相对价格较低，具有高的化学稳定性，光生空穴高的氧化性及光生电子足以使分子氧转化为超氧化物等一系列的优点。

使其成为目前研究最为广泛和深入的半导体材料之一。

而纳米二氧化钛所具有的小尺寸和高比表面积又赋予其相对其块体材料更高的催化活性。

本论文将纳米级二氧化钛作为研究对象，通过对二氧化钛纳米材料的合成、性质，改性及应用性能进行了研究。

ABSTRACTAs world wide environment pollution and energy resource crisis are graving gradually today，effective utilization of solar energy to solve pollution problems and others has became a great interest in many countries．The synffesis and applications of photocatalyst with higll quantum-efficiency and high activity，in which solar energy Can be utilized efficiently，have attracted much attention in the field of material，chemistry,environment science and energy sources science．Titania,as a semiconductor material，is one of the most important photocatalysis due to it is relatively inexpensive，highly stable chemically，and the photogenerated holes are highly oxidizing．In addition,reducing ability of the photogenerated electronS is high enough to produce superoxide from dioxygen．Here。

《纳米结构二氧化钛的可控制备及其光催化和光电性能》篇一一、引言随着纳米科技的飞速发展，纳米材料因其独特的物理和化学性质在众多领域展现出巨大的应用潜力。

其中，纳米结构二氧化钛（TiO2）因其高光催化活性和优异的光电性能，已成为科研领域的热点。

本文旨在探讨纳米结构二氧化钛的可控制备方法，以及其在光催化和光电领域的应用性能。

二、纳米结构二氧化钛的可控制备1. 制备方法纳米结构二氧化钛的制备方法主要包括溶胶-凝胶法、水热法、化学气相沉积法等。

其中，溶胶-凝胶法因其操作简便、成本低廉等优点被广泛应用。

通过控制反应条件，如温度、浓度、pH值等，可以实现对二氧化钛纳米结构的可控制备。

2. 实验过程以溶胶-凝胶法为例，首先将钛醇盐或钛酸酯等前驱体溶解在有机溶剂中，形成均匀的溶液。

然后通过控制水解和缩聚反应的条件，得到具有特定结构的二氧化钛纳米材料。

最后通过热处理、煅烧等工艺，进一步提高二氧化钛的结晶度和纯度。

三、光催化性能1. 光催化原理纳米结构二氧化钛具有较高的光催化活性，其光催化原理主要涉及光的吸收、电子-空穴对的产生、电荷的分离与迁移以及表面反应等过程。

当二氧化钛受到光照时，其表面的光催化剂可以吸收光能并产生电子-空穴对。

这些电子和空穴具有很强的还原和氧化能力，可以与吸附在催化剂表面的物质发生反应，从而实现光催化过程。

2. 光催化应用纳米结构二氧化钛的光催化性能在环保、能源、医疗等领域具有广泛的应用。

例如，在环保领域，二氧化钛可应用于废水处理、空气净化等方面；在能源领域，可应用于太阳能电池、光解水制氢等方面；在医疗领域，可应用于抗菌、抗癌等方面。

四、光电性能纳米结构二氧化钛具有优异的光电性能，主要表现在其光电转换效率和稳定性方面。

通过优化制备工艺和掺杂改性等方法，可以提高二氧化钛的光电性能。

例如，通过掺杂金属或非金属元素，可以改善二氧化钛的导电性能和可见光响应范围，从而提高其光电转换效率。

此外，纳米结构二氧化钛还可应用于光电传感器、光电器件等领域。

纳米二氧化钛的制备研究进展作者：刁润丽来源：《佛山陶瓷》2021年第08期摘要：纳米二氧化钛是一种重要的无机非金属材料，因其结构上的纳米尺寸，使它的性能优异，其制备及应用引起了广泛关注。

本文对其制备方法进行了综述，并對比分析各方法的特点，指出了存在于纳米二氧化钛制备过程中的问题，并展望了其发展前景。

关键词：纳米二氧化钛;性能;制备;进展1 前言纳米材料是一类超细材料，粒径在0.1—100nm结构范围内，具有表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应等一些特殊性能[1，2]。

纳米二氧化钛是目前用的最为广泛的无机纳米材料之一，又被称为纳米钛白粉。

纳米二氧化钛价格低廉，资源丰富[3]。

纳米TiO2有优异的物理、化学及光电等性能，如光催化性、屏蔽紫外线功能及颜色效应等，高的热导性、磁性，良好的透明性，优异的抗菌性，是新型光催化无机功能材料，且使用期间不会有自身损耗出现，因此应用广泛[4-6]。

随着技术的发展，其应用领域会进一步拓展。

2 纳米二氧化钛的制备制备纳米二氧化钛的方法有很多种，根据制备的原理及反应的性质可分为物理法和化学法两大类，其中最常用、最主要的是化学法。

2.1 物理法制备纳米二氧化钛最早采用的方法是物理法，这种方法通过高能消耗，“强制细化”材料得到产品。

物理法又有粉碎法和气相冷凝法两种。

气相冷凝法是利用挥发或者蒸发操作使原料物变为气相，接着在一定条件下冷凝制得纳米产品，调节蒸发和冷凝的条件可以改变纳米产品的粒径。

粉碎法采用的是机械性粉碎，用这种方法得到的产品纯度很高，但是颗粒大小不一，对设备要求也很苛刻，因此这种方法只适用于要求较低的情况，局限性很大[7]。

2.2 化学法纳米二氧化钛制备的重要方法是化学法，因其过程经常有化学反应伴随而得名。

化学法除了制备常规的纳米二氧化钛粉体，还可以得到其它形态，如纳米晶须和纳米管，这种方法较易控制产品的粒径，同时对产品进行修饰或包覆处理很方便，可以使产品性质更优异、形状更符合使用要求。

二氧化钛量子点摘要：1.引言2.二氧化钛量子点的性质3.二氧化钛量子点的光学应用4.二氧化钛量子点的环境应用5.二氧化钛量子点的潜在挑战与展望正文：二氧化钛（TiO2）量子点是一种具有独特光学和环境应用前景的纳米材料。

近年来，随着量子点研究的不断深入，二氧化钛量子点在各种领域的应用也得到了广泛关注。

本文将介绍二氧化钛量子点的性质、光学应用以及环境应用，并探讨其潜在挑战与展望。

1.引言二氧化钛量子点是一种半导体纳米颗粒，其直径在1-10纳米之间。

由于具有粒径大小、表面等离子共振等特性，二氧化钛量子点在光催化、光电子器件、生物成像等领域具有广泛的应用前景。

2.二氧化钛量子点的性质二氧化钛量子点的性质主要取决于其粒径大小、形貌、表面修饰等因素。

通常，二氧化钛量子点具有以下几种性质：（1）光致发光性质：二氧化钛量子点在紫外或蓝光激发下，能发出可见光。

（2）光催化性质：二氧化钛量子点具有优异的光催化性能，可应用于光解水、光降解有机污染物等领域。

（3）高比表面积：二氧化钛量子点具有较大的比表面积，有利于提高其反应速率和性能。

3.二氧化钛量子点的光学应用二氧化钛量子点在光学领域具有广泛应用，主要包括：（1）荧光材料：二氧化钛量子点可作为荧光材料，应用于生物成像、化学传感等领域。

（2）光电子器件：二氧化钛量子点具有优异的光电性能，可应用于太阳能电池、发光二极管等领域。

（3）光催化材料：二氧化钛量子点作为光催化材料，可用于光解水制氢、光降解有机污染物等环境治理领域。

4.二氧化钛量子点的环境应用二氧化钛量子点在环境保护领域也具有广泛应用，主要包括：（1）水污染治理：二氧化钛量子点可应用于河流、湖泊等水体的有机污染物降解，提高水质。

（2）空气污染治理：二氧化钛量子点可作为催化剂，促进室内空气中有机污染物和甲醛等有害气体的分解。

（3）土壤污染治理：二氧化钛量子点具有优异的抗老化性能，可用于土壤中有机污染物的降解和修复。

基于量子点修饰的TiO2的纳米生物效应研究进展由于TiO2禁带宽度大、只能吸收紫外光、光生电子-空穴再复合率高、光催化活性较低等原因造成的。

因此，很多的研究都致力于改变TiO2的电子性能，拓宽它的吸收光范围至可见光区域，来提高它的光催化活性。

具有许多光学特性的量子点（Quantum Dots，QDs），完全可以使TiO2对光的吸收带宽由紫外光红移到可见光区，达到了可见光照射催化之目的并提高其性能。

文章综述了量子点修饰的纳米TiO2的纳米生物效应研究与应用的最新动态，讨论了量子点修饰纳米TiO2制备方法和影响因素，最后概括了量子点修饰的纳米TiO2在抗菌消毒、生物医学等方面的应用进展。

伴随对量子点修饰的纳米TiO2研究的深入和应用技术领域的不断开拓，其发展前途非常广阔。

标签：量子点；纳米TiO2；生物效应；进展引言纳米科学已经发展成为当今世界上三大支柱科学（生命科学、信息科学、纳米科学）之一。

纳米材料的特殊性质使之在电子学、光学、化学、生物、医药等诸多领域都具有重要价值，并得到了广泛应用。

纳米科技預计将导致人类未来生产和生活方式的革命性变化，已经成为当前发达国家投入最多，发展最快的科学研究和技术开发领域之一[1]。

随着纳米技术的产业化，各种形式的纳米尺度的物质已经通过不同的途径进入我们的生活。

然而，任何一项新的技术都会具有“双刃剑”的两面性，纳米科学技术也不例外。

与纳米科学技术蓬勃发展趋势相比，人们对纳米技术的生物效应与安全性的关注和研究明显滞后。

与此同时，一个将纳米技术与生物、化学、物理、毒理学与医学等领域的实验技术结合起来，研究纳米尺度物质与生命过程相互作用及其结果的新兴科学领域-纳米生物效应也逐渐形成。

相关报道指出，处于纳米尺度的材料可能跟周围的环境发生特殊的物理、化学上的相互作用而产生潜在的生物效应。

研究结果表明：纳米材料可能在细胞、亚细胞甚至分子层次上影响正常的生理功能，破坏细胞膜的完整性，使核酸受到损伤，引起蛋白质的失活与氧化，造成能量传导的中断及由活性氧引发的细胞凋亡，并且，一些纳米颗粒与蛋白质分子大小相仿，能够很容易地在生物体内运动，沉积到某些器官当中，甚至能穿过细胞膜屏障，进入到线粒体中，从而引发机体的有害反应。

纳米结构二氧化钛的可控制备及其光催化和光电性能纳米结构二氧化钛的可控制备及其光催化和光电性能引言纳米材料具有特殊的物理、化学和光电性能，在能源转换、环境修复、光催化等领域具有广泛应用前景。

作为一种重要的半导体材料，二氧化钛（TiO2）因其稳定性、低毒性以及良好的光催化和光电性能而备受关注。

随着纳米技术的快速发展，人们能够制备出具有不同结构、形貌和尺寸的纳米二氧化钛材料。

本文将重点介绍纳米结构二氧化钛的可控制备方法，并探讨其光催化和光电性能。

一、纳米结构二氧化钛的可控制备方法纳米结构二氧化钛的可控制备方法种类繁多，本文将介绍几种常见的方法。

1. 溶胶凝胶法溶胶凝胶法是一种简单、经济且可大规模制备纳米二氧化钛的方法。

其基本步骤包括溶胶的制备、凝胶的形成和热处理。

通过调控溶胶成分、溶胶浓度、溶胶pH值和凝胶成核温度等参数，可以得到具有不同形貌和尺寸的纳米二氧化钛。

2. 水热法水热法是一种在高温和高压条件下进行合成的方法，对于制备纳米结构二氧化钛具有较高的控制性。

通过调控反应温度、反应时间和反应物浓度等参数，可以得到具有不同晶相、形貌和尺寸的纳米二氧化钛。

3. 气相沉积法气相沉积法是一种在惰性气氛中利用热分解或氧化反应制备纳米二氧化钛的方法。

通过调控反应温度、反应时间和沉积条件等参数，可以得到具有均匀形貌和尺寸的纳米二氧化钛。

二、纳米结构二氧化钛的光催化性能纳米结构二氧化钛的光催化性能是其在环境修复、水分解、有机污染物降解等领域应用的重要基础。

其良好的光催化性能主要归功于其特殊的能带结构和表面特性。

1. 能带结构纳米二氧化钛由于其小尺寸效应，其能带结构发生改变。

此时，纳米二氧化钛的带隙增大，能够吸收较小能量的可见光。

这使得纳米二氧化钛能够利用可见光进行光催化反应，提高光催化效率。

2. 表面特性纳米二氧化钛的表面具有较大的比表面积，有利于光吸收和反应物与表面的相互作用。

此外，纳米二氧化钛表面还可通过调控表面态密度、引入杂质和修饰等方式改变其光催化性能。

二氧化钛纳米棒的制备及其晶体生长机理分析陈超;王智宇【摘要】采用溶剂热法合成具有高结晶性与单分散性的TiO2纳米棒.采用TEM、XRD、HRTEM等对样品的微观结构进行表征,并考察了TiO2纳米棒对亚甲基蓝的光催化性能.通过控制反应时间、反应温度,研究纳米棒的形貌演变规律.结果表明,可以通过“奥斯特瓦尔德熟化”和“取向接触”两种晶体生长过程制备出棒状TiO2纳米晶,降低纳米晶的表面能是晶体生长与形貌演变的主要驱动力；高结晶性的TiO2纳米棒具有高于P25的光催化能力.%Highly crystalline and monodisperse anatase TiO2 nanorods were synthesized successfully via an improved solvothermal method. The shape evolution of TiO2 nanorod was investigated by adjusting the reaction parameters, such as reaction duration and temperature. The phase structures, morphologies, and sizes of as-prepared TiO2 nanoparticles were investigated in detail by XRD, TEM, and HRTEM. The photocatalytic properties of the product were measured by decomposition of methylene blue under full spectrum light irradiation. When Ostwald Ripening is dominant, the T1O2 nanorods grow along the <001> crystallographic direction. When Ostwald Ripening is depressed at lower temperature, Oriented Attachment occurs. And primary nanoparticles join together by sharing a common (001) facet. The driving force of shape evolution and crystal growth of TiO2 nanocrystals is reducing the high surface free energy. Compared with P25, the as-prepared TiO2 nanorods exhibit a superior photocatalytic activity, which is attributed to the high crystallinity.【期刊名称】《无机材料学报》【年(卷),期】2012(027)001【总页数】4页(P45-48)【关键词】TiO2纳米棒;晶体生长;光催化;奥斯特瓦尔德熟化;取向接触【作者】陈超;王智宇【作者单位】浙江大学硅材料国家重点实验室,材料科学与工程学系,杭州 310027;浙江大学硅材料国家重点实验室,材料科学与工程学系,杭州 310027【正文语种】中文【中图分类】O482二氧化钛(TiO2)纳米材料因其优良的光电性能、化学稳定性高、安全无毒、使用寿命长及折射系数高等优点, 而在染料敏化太阳能电池、光降解有机污染物、生物材料以及光敏传感器等领域展现出巨大的应用前景[1-4]. 使用液相化学法制备 TiO2纳米材料具有操作简单、生产成本低、易于批量大规模生产等优点. 目前已开发出水/溶剂热法[5]、超声化学法[6]、溶胶−凝胶法等合成TiO2纳米材料.控制半导体纳米晶体的形貌及尺寸可以有效地调节纳米材料的能带结构和光电性能. 比如通过改变CdSe、CdTe等纳米晶的尺寸大小可以有效地调节其能带结构以及相应的光电性能[7]. 对于TiO2纳米材料的研究表明: 通过控制形貌而调整高能晶面,如: (001)面的暴露程度可以有效地调节其光催化性能[8]及其在太阳能电池中的光电转换效率[9]. 通过控制纳米材料的微观形貌实现对材料性能的调节是目前纳米科技的一个研究热点.针对晶体生长机理开展的研究有助于更好地理解和实现纳米晶的形貌控制. 半导体纳米晶的形成过程主要分为晶核形成和晶体生长两个过程, 对形貌的控制主要发生在晶体生长阶段[10]. 一般认为在纳米尺度下支配晶体生长过程主要有两种机制: 奥斯特瓦尔德熟化(Ostwald Ripening, OR)和取向接触(Oriented Attachment, OA)[11-13]. 但是将两种机制结合起来的研究工作还比较少, 针对取向接触微观过程的研究还鲜见报道.本工作利用锐钛矿型 TiO2在晶体结构上具有各向异性的特点, 分别通过OR和OA过程获得了具有高结晶性的TiO2纳米棒, 该研究为进一步进行纳米晶形貌控制提供了实验积累和指导.1 实验1.1 实验原料钛酸四丁酯(Tetrabutyl Titanate, TNBT)、油酸(Oleic Acid, OLA)和十二胺(Dodecylamine, DOA),均为分析纯, 购自国药集团化学试剂有限公司.光催化所用TiO2 P25由Degussa公司提供.1.2 TiO2纳米棒的合成将10 mL钛酸四丁酯与100 mL油酸加入锥形瓶中, 室温下剧烈磁力搅拌1 h, 用注射器将4 mL十二胺注入锥形瓶(1 mL/min), 再在室温下剧烈搅拌24 h, 保证溶液中各成分混合均匀并将配好的溶液移入高压反应釜(Berghof BHL-800)中.实验1(OR): 反应釜快速升温至280℃, 保温24 h后停止加热, 自然冷却至室温, 得到样品1.实验2(OA): 反应釜快速升温至280℃后保温6 h, 再将反应温度降至200 ℃(降温速度1℃/min),继续保温18 h后停止加热, 自然冷却至室温得到样品2.1.3 光催化实验取200 mL亚甲基蓝(MB)溶液(浓度: 20 μmol/L),加入40 mg光催化剂, 于黑暗中磁力搅拌1 h, 达到吸附−脱附平衡. 以 300 W 氙灯为光源(光谱范围: 300～1100 nm), 每隔5 min进行取样, 离心分离, 取上层清液, 用紫外−可见分光光度计测量MB溶液的吸收谱, 表征染料被光降解程度.1.4 样品表征TiO2的晶型和微观形貌分别用Philips PW1050型 X射线粉末衍射仪(XRD: CuKα λ=0.15406nm), JEM-1230型透射电子显微镜(TEM: 加速电压80 kV)以及Philips CM200型高分辨透射电子显微镜(HR-TEM: 加速电压160 kV). 紫外−可见分光光度计(Hitachi U-4100)用于测量MB溶液吸收谱.2 结果与分析2.1 奥斯特瓦尔德熟化(OR)图1是在实验1条件下经过不同的奥斯特瓦尔德熟化时间所制备样品的 TEM和HRTEM照片. TiO2纳米晶的形貌随反应时间的延长而发生演变.由图1(a)可知, 当反应时间为6 h时大部分TiO2纳米晶为点状, 同时已经有部分纳米棒形成. 图 1(b)为相应的点状纳米晶的 HRTEM照片, 可以看出点状纳米晶呈类椭球状.晶粒内部具有完美的晶格图案, (001)晶面对应的晶面间距为0.48 nm, (101)晶面对应的晶面间距为0.35 nm, ＜001＞方向为其长轴方向.晶粒表面存在着不完整的构造, 纳米晶并不是一个完美的椭球形, 这是因为当反应时间为 12 h时,纳米晶的熟化过程还未完全发生, 导致晶体表面的缺陷还未及时消除.当反应时间延长至24 h后, 如图1(c), 反应产物几乎全部生长成棒状 TiO2纳米晶,其直径约为5～10 nm, 长度约为15～25 nm. 图1(d)为相应的棒状纳米晶的HRTEM照片, (101)晶面对应的晶面间距为0.35 nm, 纳米棒的长轴与＜101＞晶向的夹角为68°, 与锐钛矿的＜101＞方向和＜001＞方向之间的夹角相同, 故 TiO2纳米棒是沿＜001＞方向生长.图 1 不同奥斯特瓦尔德熟化时间制备样品的 TEM 和HRTEM照片Fig. 1 TEM and HRTEM images of TiO2 nanoparticles prepared via Ostwald ripeningfor different time(a), (b) nanorods and quasi-ellipse shaped nanoparticles, 280 ℃, 12 h; (c), (d) nanorods, 280℃, 24 h图2为280℃反应24 h后获得样品的XRD图谱. 图谱中出现的各晶面衍射峰的位置与锐钛矿型TiO2的 JCPDS标准卡片(21-1272)的衍射峰的位置完全一致, 说明获得的TiO2纳米晶的晶相是单一锐钛矿型. 其中(004)晶面对应的衍射峰的相对较强,说明在＜001＞方向上发生明显的取向生长, 与电镜照片反映的结果相符.2.2 取向接触(OA)图3(a)是通过实验2制备的样品的TEM照片,从图中可以看出, 形成了大量哑铃形状的纳米棒.图3(b)为一个典型的哑铃状纳米棒的 HRTEM 照片,二维图片上可以看出该类结构是由两个拉长的六边形对接而成的. 可以认为在晶体生长阶段两个纳米晶基元之间发生了取向接触, 进而形成哑铃状TiO2纳米棒. 如图 3所示, 与纳米棒长轴方向垂直晶面的间距为0.47 nm, 对应于(001)晶面.说明与图1中的纳米棒一样, 哑铃状纳米棒的长轴方向也是＜001＞方向, 同时两个六边形的接触面为(001)晶面.图2 通过奥斯特瓦尔德熟化生长出的TiO2纳米棒的XRD图谱Fig. 2 XRD pattern of TiO2 nanorod grown by Ostwald Ripening at 280℃ for 24 h图3 通过取向接触生长出的哑铃状TiO2纳米棒的TEM和HRTEM照片Fig. 3 (a) TEM and (b) HRTEM images of TiO2 dumbbelllike nanorods grown by Oriented Attachment6 h, 280℃ + 18 h, 200℃对于锐钛矿型TiO2而言, {001}晶面的表面自由能为0.9 J/m2, 高于{101}面(0.44 J/m2)[14]. 所以通过取向接触消灭具有较高表面能的(001)面是发生取向接触的主要驱动力.2.3 纳米棒形成过程分析图4为通过OR与OA过程形成TiO2纳米棒过程示意图. 随着成核过程的结束, 在不同热力学条件下TiO2纳米晶的形貌将发生不同演变过程. 在实验1的条件下发生奥斯特瓦尔德熟化如图4中OR过程所示, 液相中小于临界尺寸的纳米晶被大的纳米晶逐渐消耗, 最终较大的纳米晶形成具有特定规则形貌的单晶. 通过奥斯特瓦尔德熟化形成的单晶大多是规则的, 与材料本身的晶体结构有关[13]. 对于锐钛矿型TiO2纳米晶, {001}晶面的晶面能高于{101}等其它晶面, 为了使形成的纳米晶具有最低的表面能, 类椭球形的纳米晶沿着[001]方向发生择优生长, 最终形成如图 1(b, d)所示的纳米棒结构.本课题组前期研究中通过改变体系的升温速率和选择合适表面活性剂等可以有效地控制二氧化钛纳米棒的长径比[5].在实验2的条件下, 如图4中OA过程所示, 纳米晶之间发生取向生长. 在晶体生长阶段的前期通过奥斯特瓦尔德熟化获得相对粗化的纳米晶, 随着原始溶液中前驱物的耗尽而无法支持纳米晶的进一步生长. 同时降低了的反应温度导致无法通过消耗小尺寸的纳米晶来支持奥斯特瓦尔德熟化的发生.于是离散的纳米晶在表面能的驱动下, 通过(001)晶面的融合来进一步降低总的表面能, 最终形成哑铃状 TiO2纳米棒. 进一步优化取向接触的发生条件,合成了由几十个基元组成的长度大于 500 nm 的链状TiO2纳米结构.图 4 通过奥斯特瓦尔德熟化(OR)和取向接触(OA)形成TiO2纳米棒示意图Fig. 4 Formation schematic illustration of TiO2 nanorods via Ostwald Ripening (OR) and Oriented Attachment (OA)Alimohammadi等[15]利用分子动力学计算机模拟 TiO2纳米晶的聚集与接触过程, 他们认为 TiO2纳米晶是在库伦力的作用下发生取向接触.并因为表面悬挂键的不同, (001)晶面带正电, (112)晶面带负电, 故在库伦力的作用下(001)与(112)最易发生结合. 本实验中纳米晶之间的取向接触是通过(001)晶面结合而发生的(图 3), 这与他们的理论预测不符, 因此TiO2纳米晶之间取向接触的主要驱动力不是不同晶面间的库伦作用力. 在特定的热力学条件下, 液相中取向不一致的纳米晶相互靠近, 并通过旋转使晶格取向达到一致, 在表面能的驱动下相同晶面发生融合形成一个统一的单晶, 最终降低了总表面能. 由于(001)晶面拥有较高的表面自由能, 在(001)晶面之间最容易发生取向接触, 这与Dai等[16]的实验结果相类似.2.4 TiO2纳米棒光催化性能图5为TiO2纳米颗粒在氙灯下光催化亚甲基蓝(MB)的实验中MB浓度随时间变化曲线. 该曲线表明, 随着反应的进行, MB不断被降解. 以ln(Ct/C0)对时间作图, 回归得到三条直线, 线性较好, 说明该光催化反应符合一级动力学模型. 光催化能力大小为: 样品2＞样品1＞P25. TiO2纳米晶的光催化能力与晶型和表面悬挂键有关[17], 样品1与样品2优良的催化能力可以归因为其高结晶性. 而样品 2的光催化性能优于样品1与其表面的吸附能力和不同晶面的暴露程度有关. 这些具有较高光电性能的TiO2纳米棒将在光伏器件上有良好的应用前景.图5 TiO2纳米棒和P25光催化性能比较Fig. 5 Catalytic properties of TiO2 nanorods and P25A: P25; B: Sample 1 nanorods; C: Sample 2 dumbbell-like nanorods3 结论1)在不同的热力学条件下, 利用锐钛矿型 TiO2的各向异性, 通过奥斯特瓦尔德熟化和取向接触两种晶体生长过程获得TiO2纳米棒.2)降低纳米晶的表面能是发生奥斯特瓦尔德熟化和取向接触的主要驱动力. TiO2纳米棒沿着[001]方向生长. TiO2纳米晶之间的取向接触主要发生在[001]方向, 通过(001)晶面的融合获得单晶结构的纳米晶.3)高结晶性的TiO2纳米棒表现出优于P25的光催化性能.参考文献:【相关文献】[1] O'Regan B, Gratzel M. A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films. Nature, 1991, 353(24): 737−739.[2] Chen X B, Mao S S. Titanium dioxide nanomaterials: synthesis, properties, modifications, and applications. Chem. Rev., 2007, 107(7): 2891−2959.[3] Li Y M, Somorjai G A. Nanoscale advances in catalysis and energy applicatiions. Nano Lett., 2010, 10(7): 2289−2295.[4] Fujishima A, Honda K. Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode. 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