材料测试分析论文

材料测试分析论文材料测试分析论文 XINYU UNIVERSITYXINYU UNIVERSITY材料分析与测试课程论文论文题目XRD和STM在2TiO纳米 管中的应用二级学院新能源科学与工程学院专业材料物理班级11材 料物理班学号1103210048学生姓名徐明军授课教师钟炜成绩批阅老 师1XRD和STM在2TiO纳米管中的应用 一 2TiO的阳极氧化制备及应用领域1 12TiO的性能简述二氧化钛 T iO2 作为一种重要的无机功能材料 具有光敏 湿敏 气敏 光电 等优越的性能 一直以来都是各领域研究的热点 二氧化钛纳米管是TiO2的存在形式之一 由于其具有高比表面积 高深宽比和尺寸依赖效应等特性 近年来越来越受到人们的关注 与TiO2的其他存在形式相比 由于其特殊的管状阵列结构 TiO2纳米 管表现出更高的光催化能力 并且提高了光电转换效率 在太阳电 池 光解水制氢 光催化降解有机污染物 生物医学以及传感器等 领域有着重要的发展前景 1 22TiO的检测方法本文在含氟的乙二醇电解液中采用恒压阳极氧化 法在钛箔表面直接生成一层结构高度有序的高密度TiO2纳米管阵列 主要研究了阳极氧化条件 阳极氧化电压 反应时间 电解液组成 对制备TiO2纳米管阵列尺寸和形貌的影响 探讨了多次氧化对纳米管 形貌的改善 利用扫描电子显微镜 SEM 和X射线衍射 XRD 对所得TiO2纳米管 阵列的性能进行了测试分析 结果表明 TiO2纳米管为非晶态 在空气中经400 退火处理转变为 锐钛矿型 550 退火开始出现金红石相态 TiO2纳米管的孔径主要 由氧化电压决定 随阳极氧化电压的升高纳米管的孔径变大 纳米管 的长度随反应时间延长而增长 多次氧化可明显改善纳米管尺寸规 整性 孔径大小更均一 最后 根据测试结果对TiO2纳米管阵列的形成机理进行了简单分析 1 3样品的制备 1 将钛箔依次用丙酮 乙醇 去离子水超声清洗 晾干备用 将清洗干净的钛箔用浓硫酸与氢氟酸的混合酸 混合比例为41 进 行电化学抛光 1分钟 电压15V 去离子水冲洗干净 室温下以抛光后的钛箔为阳极 铂片作对电极 在含0 3wt NH4F和2 vol H2O的乙二醇的电解液中恒压阳极氧化 为了尽可能消2除浓差极化 阳极氧化过程始终施加磁力搅拌 取不 同反应时间生成样品 用去离子水冲洗后以高纯氮气吹干表面 然 后用去离子水超声清洗 干燥 2 将处理后的钛箔在含0 5wt NH4F 0 5wt H2O的乙二醇电解液中5 0V阳极电压阳极氧化1小时 超声超落一次氧化膜后 进行二次氧化 氧化膜超声分离得到TiO2纳米管阵列 热处理后测试 试验装置如图1 1所示 图1 1二氧化钛纳米管制备装置图 二 TiO2纳米管阵列测试应用2 1样品表征采用高倍电子扫描电镜 S EM 对TiO2纳米管阵列的形貌进行表征 用X射线衍射仪 XRD 测定Ti O2纳米管的晶体结构 2 22TiO纳米管阵列的形貌表征图2 1为室温下 经电化学抛光处理 的纯钛箔在含0 3wt NH4F和2vol 水的乙二醇电解液 控制氧化电压 60v 氧化时间4h时所得薄膜组分测试结果 结果中可以看到O摩尔 百分比为63 76 3 86 Ti摩尔百分比为31 98 0 59 O和Ti摩尔比为1 9941 可以肯定阳极钛箔上所生成淡黄色薄膜样品为TiO2 图2 2为室温下 经电化学抛光处理的纯钛箔在含0 3wt NH4F和2vol 水的乙二醇电解液 控制氧化电压60v 氧化时间4h时所得TiO2纳 米管阵列膜的SEM图 图a b分别为不同放大倍数时的俯视图 图c d为不同放大倍数时 的侧面扫描图 3从图a可以看出 制备的样品表面顶层覆盖着从阳极氧化电解槽中 打破的管和其他碎片 TiO2膜层表面呈现纳米管阵列排布 纳米管 管径约170nm 管壁大约25纳米 从侧面图 图c d 可以看出 TiO2 纳米管管径尺寸基本一致 上端开口 底部封闭 膜层厚度 TiO2纳 米管长度 为20 25 m TiO2膜层底部是一层薄而致密的阻挡层 阻挡层上部为均匀分布 垂直于基体的TiO2纳米管阵列 阻挡层把钛基体和纳米管阵列隔开 构成纳米管阵列膜层 阻挡层 基体钛三层结构 Element LineWeight Weight Error Atom Atom Error CK1 97 0 694 26 1 50O K39 18 2 3763 76 3 86Ti K58 85 1 0931 98 0 59Total100 00100 00图2 1含0 3wt NH4F和2vol 水的乙二醇电解 液 控制氧化电压60v 氧化时间4h时所得样品薄膜组分测试结果时 所得样品薄膜组分测试结果 4 a b c d 图2 2在含0 3wt NH4F和2vol 水的乙二醇电解液 控 制氧化电压60v 氧化时间4h时所得时所得TiO2纳米管阵列膜的SEM a b 分别为不同放大倍数时的俯视图 c d 为不 同放大倍数时的侧面扫描图 为不同放大倍数时的侧面扫描图 2 3阳极氧化电压和反应时间对二氧化钛纳米管形貌的影响在含有氟 电解质中二氧化钛纳米管阵列的形成是由三个同时出现的过程导致 的结果 1 区域促使钛形成二氧化钛 2 区域促使钛金属离子在电解质中离散和化学溶解钛 3 二氧化钛由于氟离子的蚀刻 24 图2 1显示的长度25微米的纳米管是60V电压下阳极氧化6小时制得的 我们观察到阳极氧化电压的提高导致二氧化钛纳米管直径的增加 而降低阳极氧化电位结果导致短小的二氧化钛纳米管和较小的纳 米管直径 阳极氧化电压是影响TiO2纳米管形成和生长过程的一个最为重要的 因素 通过调节电压参数可实现对TiO2纳米管管径大小的控制 图2 3为60V阳极氧化电压分别氧化4h 5h 6h所制得二氧化钛纳米 管阵列膜的截面SEM图片 可以看出 氧化4h 5h 6h所得纳米管长 度分别为25 m 27 m 43 m 我们观察到二氧化钛纳米管长度随时间增加 当达到一个最高长度 后就会5随时间减少 即阳极氧化时间是决定纳米管长度的一个重要参数 在一定时间内 二氧化钛纳米管长度随时间增加 增长到一个最大尺寸后会慢慢减 少 得到最长纳米管的时间是一个关于阳极氧化电压和二氧化钛纳米管 在低潜能下达到最长的速度这两项的函数 a b c 图2 3 a b c 分别为60V电压下阳极氧化4h 5h 6h获得二氧化钛纳米管阵列膜截面获得二氧化钛纳米管阵列 膜截面SEM图片 2 4二氧化钛纳米管晶型分析图2 4为膜厚为20 25 m TiO2纳米管阵列分别在300 400 450 500 550和600 6个不同的 温度下热处理2h后的X射线衍射图 未经热处理的样品只出现钛基底的衍射峰 表明表面膜层为无定型 的TiO2 样品经300 热处理后 谱图出现锐钛矿的 101 特征峰 即无定型的TiO2开始向锐钛矿相转变 在400 450 500热处理后的样品锐钛矿相峰十分明显 且峰的强度 较300 的有所增大 说明TiO2由无定型向锐钛矿相的转变更加完全 随着热处理温度的继续升高 亚稳态的锐钛矿相6进一步向热力学更 加稳定的金红石相转变 经过550 热处理2h的样品出现了金红石的 110 特征峰 即在此条件下TiO2纳米管膜层的晶型为锐钛矿和金红 石的混合相 600 热处理后的样品 金红石特征峰的强度明显增大 说明更多的 锐钛矿型TiO2转变为金红石型 膜层中金红石型TiO2的含量增加 XRD谱图结果与Tao等报道的在w HF 0 5 溶液中制备的TiO2纳米 管阵列膜经过480 热处理后就出现金红石相 经600 热处理后几 乎完全转变为金红石型的结果不太一致 这可能与TiO2纳米管阵列 膜层的厚度有关系 由于纳米管管壁仅有10nm左右 受到几何尺寸的制约 金红石的成 核很难发生在管壁 当纳米管底部的TiO2已转变为金红石相时 管 壁的TiO2仍为锐钛矿相 本文制备的纳米管长度达到微米级 600 热处理后 纳米管管壁可 能仍存在大量的锐钛矿型TiO2 所以在XRD谱图中可看到明显的锐钛 矿的衍射峰 图中插入的SEM图为制得的TiO2纳米管阵列在60O 温度下热处理2h 后的表面形貌 可见样品经过600 热处理后形貌发生较大的变化 纳米管的管壁厚 度明显增大 且局部发生塌陷 仅有部分保持其纳米管阵列结构 这是由于样品在从锐钛矿相向金红石相转变过程中 释放出大量的 热促使样品晶粒急剧长大图2 4TiO2纳米管膜层的X射线衍射谱 插图 为TiO2纳米管阵列经600 热处理的SEM正面图 正面图 7 三 分析与讨论本文首先主要介绍了纳米二氧化钛材料 二氧化钛 纳米管不同的制备方法和形成机理 并分析了阳极氧化法制备二氧 化钛纳米管相比其他方法的优越性和可行性 以及二氧化钛纳米管 的应用前景 然后介绍了在在乙二醇 氟化铵的混合溶液中采用阳极氧化法在用 化学处理后的纯钛片表面生成了一层结构高度有序的高密度TiO2纳 米管阵列 并根据所得试样SEM和XRD图像分析阳极氧化电压 反应时间 电解 液组成等因素对TiO2纳米管阵列形貌和尺寸的影响 探讨了二次阳极 氧化对纳米管形貌的改善 探讨了二氧化钛纳米管晶型并分析了阳极氧化法中二氧化钛纳米管 的生长机理 根据结果可以得出以下结论 1 阳极氧化电压是影响TiO2纳米管形成和生长过程的一个最为重要 的因素 通过调节电压参数可实现对TiO2纳米管管径大小的控制 2 阳极氧化时间是决定纳米管长度的一个重要参数 在一定时间内 二氧化钛纳米管长度随时间增加 增长到一个最大尺寸后会慢慢减 少 得到最长纳米管的时间是一个关于阳极氧化电压和二氧化钛纳米管 在低潜能下达到最长的速度这两项的函数 3 在有机电解液中当水含量小于2 时 制备的纳米管在相同条件下 明显比水电解液中制备的纳米管要长得多TiO2纳米管的制备过程可 能与电解液的黏度有关 8参考文献 1 高原 等 用模板法制备TiO2纳米线阵列膜及光催化性能的研究 J 高等化学学报 xx 24 1089 1092 2 李晓红 等 TiO2纳米管的模板法制备及表征 J 高等化学学报 xx 22 1 130 132 3 王芹 陶杰 翁履谦 等 氧化钛纳米管的合成机理与标准 J 材料开发与应用 xx 19 5 9 13 4 沈钟 王果庭 胶体化学与表面化学 M 北京 化学工业出版社 xx 243 5 Seo DS Lee JK Kim H Synthesis ofTiO2nanocrystalline powderbyaging atlow temperature J Journa ofCrystal Growth xx 22 298 302 6 张青红 高濂 郑珊 等 制备均一形貌的长二氧化钛纳米管 J 化学学报 xx 60 8 1439 1444 7 赖跃坤 孙岚 左娟 等 氧化钛纳米管阵列制备及形成机理 J 物理化学学报 xx 20 9 1063 1066 ydrogen sensingusing ti2tania nanotubes J Sensors andActuators B xx 93 338 344 8 张文彬 何明兴 李新军 二氧化钛纳米管制备方法及其应用研究进展 现代化工27卷第四期 xx年四月 9 庄惠芳 赖