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近年来,随着社会的快速发展,能源危机和环境污染等问题日益严重。TiO2纳米材料由于其具有优异的光电化学性能、良好的生物惰性、无毒无害且制备简单等优点,在太阳能光电转换和环境污染物的降解处理等方面,都有很好的实际应用前景。为了满足TiO2纳米材料实际应用的要求,合成不同形貌、尺寸和具有高化学活性(001)面外表面的TiO2纳米材料是十分必要的。本文通过采用简单的水热法,制备了多种具有分层结构的TiO2纳米材料和具有较大(001)面面积的TiO2纳米材料,研究了各种因素对产物形貌的影响,总结了可能的生长机制,并对其光催化降解有机物性能和光电转化性能进行了研究。论文的主要内容如下:
1、采用金属Ti粉作为原料,直接与NaOH溶液进行水热反应,制备了具有分层结构的TiO2纳米管微球。TiO2纳米管微球的直径为4到7μm,组成的TiO2纳米管外径为9到10nm,内径为3到4nm。研究了Ti粉质量,反应时间等因素对产物形貌的影响,提出了TiO2纳米管微球的一种可能生长机制,即Ti粉溶解在NaOH中首先生成纳米片微球,随后在高温高压下,纳米片自动卷曲为纳米管,形成纳米管微球。研究发现高温处理不会破坏纳米管微球的形貌。制备得到的TiO2纳米管微球具有良好的比表面积和光吸收,其光催化活性为普通TiO2纳米管的4倍；其光电性能也优于普通的TiO2纳米管,开路电压和短路电流密度均有所提高。
2、将金属Ti粉溶解在H2O2/HNO3的混合溶液中,然后与NaOH溶液进行水热反应,制备得到具有花状分层结构的TiO2纳米材料。花状TiO2纳米材料直径为3到5μm,由许多从中心发出的,呈辐射状的TiO2纳米片组成,这些纳米片的长度为1到3μm,宽度为100到500nm,厚度仪为数纳米。研究发现高温处理,不会破坏产物的形貌。得到的花状TiO2纳米材料具有较高的比表面积和光吸收,其光催化活性为DegussaP25TiO2纳米粉末的2倍,以其作为光阳极制备得到的染料敏化电池具有7.21％的较高转换效率。
3、以金属Ti粉与HF/H2O2的混合溶液进行水热反应,制备得到具有外露(001)面和(110)面的锐钛矿TiO2单晶,其中,具有最高表面能的(110)面为国际上首次报道。同时,系统地研究了HF酸浓度、反应时间、H2O2等反应因素对产物的影响。发现未加H2O2时,产物具有不规则形状,并发生严重的团聚,其光催化性能也远低于具有(001)面和(110)面外表面的锐钛矿TiO2单晶。
4、将Ti粉先溶解在HF酸溶液中,然后与稀H2O2溶液进行水热反应,制备了以(001)面为主要表面的锐钛矿TiO2单晶纳米片。这些单晶纳米片的边长约为2到4μm,厚度为300到800nm,(001)面所占比例为50％～60％,表现出4倍于P25TiO2纳米粉末的光催化活性。并系统地研究了HF酸浓度、反应时间、反应温度等对产物形貌的影响。
5、以TiO2纳米粉末为原料,制备了(001)面为主要表面的锐钛矿TiO2单晶纳米片。这些单晶纳米片的边长约为l到2μm,厚度为100到300nm,(001)面所占比例为60％～70％,具有约4.5倍于P25TiO2纳米粉末的光催化活性。并系统地研究了HF酸浓度、反应时间、反应温度等对产物形貌的影响。发现HF酸浓度提高,对TiO2单晶纳米片具有严重的腐蚀,并首次制备得到具有中国古典式窗格状的TiO2纳米材料。
6、金属Ti粉直接与HF酸进行水热反应,制备得到具有(001)面外表面的花状分层结构TiO2纳米材料。并研究了反应温度、HF酸浓度、反应时间等因素对产物形貌和(001)面面积大小的影响。发现(001)面的面积首先随着温度的提高而增大,到160℃时达到最大值,然后随着温度的提高而降低。且HF酸的浓度对产物具有较大的影响。提出了花状TiO2纳米材料可能的生长机制,并系统地研究了其光催化活性随(001)面面积大小的变化。