【《一维TiO2纳米材料概述》3300字】

一维TiO2纳米材料概述目录TOC\o"1-3"\h\u4277一维TiO2纳米材料概述 113311.1纳米管的简介 2326461.2介孔TiO2纳米管的光催化机理 2233221.3介孔TiO2纳米管的制备方法 4130301.4纳米管应用 7典型的TiO2具有四种不同类型的晶型，即金红石，锐钛矿，板钛矿和TiO2(B)。不同的相具有不同的性质，因此需要不同的合成条件来制备所需的形态并提供不TiO2(B)他三种相在高温下会转变为金红石。这种相与相的稳定性关系也存在于二氧化钛纳米材料的结构中[36-39]。锐钛矿相的纳米材料是一种常见的纳米材料，但在溶剂1-1为以Ti-O八面体为基体的四种常见TiO2TiO2具有更强的氧化还原能TiO2广泛应TiO2为研究对象。图1-1不同晶相TiO2的结构：（a）锐钛矿，（b）金红石，（c）板钛矿和（d）TiO2(B)[40]Figure1-1CrystallinestructuresofTiO2indifferentphases:(a)anatase,(b)rutile,(c)brookiteandTiO2(B)[40]虽然TiO2(B)具有与TiO2相同的化学公式，但它具有比其他多态态更开放的框架结构、相对较低的密度和更大的光谱容量。这导致了在能量转化的领域的应用不断增长，如光电催化剂、太阳能电池和锂离子电池。锐钛矿和金红石是TiO2研究最多的太阳驱动应用如光催化、水分裂和太阳能电池的多态性。然而，TiO2的宽带隙(锐钛矿3.2ev，金红石3.0ev)和复合电子空穴对的快速重组限制了它们的广泛应用。通过掺杂或形成与其他具有有利电子耦合的异质结，它们的性质可以进一步提高。1.1纳米管的简介近年来，一维（1D）TiO2纳米结构由于其特殊的形貌和新颖的性能而得到广泛的研究[39]。通常，1D纳米结构，包括棒状、线状、带状和管状纳米结构，均是以高的宽高比构造的，宽和高的尺寸中至少有一个在1-100nm范围内。与TiO2纳米颗粒相比，1DTiO2纳米结构不但拥有纳米材料几乎所有的特点，并且在特定的领域具有一些新的和改进的性能。一方面，1DTiO2纳米结构的有限尺寸产生量化粒子，如电子、声子和光子。另一方面，1DTiO2的无限制尺寸可以为这些量化粒子的转移提供一条通道[40-41]。TiO2纳米管是理想的1D二氧化钛纳米结构之一，在许多与光电或半导体相关的领域具有潜在的应用前景。1.2介孔TiO2纳米管的光催化机理水分子被电子还原形成H2，同时也被空穴氧化形成O2。与普通氢电极(NHE)相比，水的还原电位(H+/H2)为0V，氧化电位(H2O/O2)为1.23V。对于产氢，传导带(CB)水平应该比产氢水平(0V)更负，而价带(VB)水平应该比水氧化水平(1.23V)更正，从而通过光电催化从水中高效产氧[44-47]。从各种半导体材料的带级可以看出(图1-2a)，TiO2因其合适的带结构、低环境影响、低毒、高稳定性而成为最常用的制氢半导体之一，而其他一些半导体如SiC、由于光腐蚀的问题，CdS可能不适合用于水分解[48,49]。在光催化水分解过程中(图1-2b)，在紫外光照射下，TiO2的价带电子被激发到导带。氢离子在导带被电子还原成氢，而在价带形成的空穴使水分子氧化成氧(或降解溶液中存在的污染物)。除了光催化分解水，光电催化分解水已经被证明是解决光生电子与空穴快速复合这一难题的一种简单而有前途的途径，有利于提高光电催化制氢效率。同时，产生了大量的活性物种。对电极上的电子可以与氢离子反应生成氢，而价带上的空穴可以与水分子反应生成氧和氢离子，或降解污染物，类似于上面讨论的光催化过程[50-55]。反应机理描述如下:TiO2+hν→e−(TiO2)+h+(TiO2)图1-2半导体的能带结构与水分裂的氧化还原电位的关系（a）、光催化原理图（b）TiO2上的水分裂[56]Figure1-2Relationshipbetweenbandstructureofsemiconductorandredoxpotentialsofwatersplitting(a).Schematicdiagramforphotocatalytic(b)watersplittingonTiO2,respectively[56].1.3介孔TiO2纳米管的制备方法TiO2纳米管的微观结构对其性能和光催化效率起着至关重要的作用。摘要制备一维二氧化钛纳米管的方法多种多样。本节简要介绍了几种主要的制备方法，即水热法、溶剂热法、电化学阳极氧化法和模板辅助法。每种制造方法都有其独特的优势和功能特点[57]。1.3.1水热法水热是一种先进的纳米结构材料加工技术，包括晶体生长、晶体转变、相平衡和最终超细晶体形成[58]。水热法制备二氧化钛纳米结构简单，生产效率高，是目前应用最广泛的一种制备方法。Kasuga等人曾报道过在没有牺牲模板的情况下，在高浓度NaOH溶液中高温处理非晶TiO2粉末，通过水热法制备TiO2基纳米管材料。在1998年[59]，人们首次在以这种方式合成TiO2纳米管方面做出了许多努力[60,61]。在一个典型的合成过程中，TiO2前驱体和反应溶液混合，并在可控的温度和压力下封装在不锈钢容器中。反应完成后，用去离子水冲洗，需用酸性溶液去除杂质。通常，在一次水热过程中，前驱体几乎100%转化为TiO2纳米管。所制得的TiO2的形貌取决于原料的结构、反应溶液的浓度、反应温度和时间、甚至酸洗等工艺参数。也就是说，合成是可控的，通过单一的碱处理可以实现多层纳米管的空心结构(图3)[62]。图3(a)反应温度为120°C，(b)超声功率为0W，(c)7.6W时合成的TiO2纳米管的TEM图像。金红石/TiO2纳米管的FE-SEM(d)和TEM(e)图像[62]Figure3TEMimagesofsynthesizedTiO2nanotubesatreactiontemperatureof120℃(a),ultrasonicpowerof0W(b),andultrasonicpowerof7.6W(c).Fe-SEM(d)andTEM(e)imagesofrutile/TiO2nanotubes[62]1.3.2电化学阳极化蚀刻法该阳极氧化方法可以有效地制备原位纳米管阵列，已广泛应用于各种金属的阳极氧化，如一维TiO2纳米管阵列(TiO2NTAs)。与水热法制备的纳米管相比，阳极氧化法制备的尺寸可控TiO2纳米管阵列具有高度有序且垂直于电极衬底表面的特性。通常，这些TiO2NTA具有良好的稳定性、无毒性、可回收性和成本效益，已被长期使用，是理想的光阳极材料。在一个典型的实验中，一个干净的钛板在氟化物电解质(HF,NaF，或KF)中以铂作为对电极，在10-25V下阳极化10-30min。通常，用醋酸，HNO3,H3PO4,H2SO4或柠檬酸来调节酸度[63]，阳极化钛板在300-500℃氧气中退火1-6h后，得到结晶的TiO2纳米管一般来说，TiO2NTAs的长度和壁厚可以根据应用电位、电解液类型和浓度、pH值、温度等进行很宽的控制[64]。第一个关于多孔阳极氧化TiO2的已知报告是由Assefpour-Dezfuly等人在1984年发表的，其中Ti金属首先在碱性过氧化物中蚀刻，然后在铬酸中阳极化[65]。此后，Zwilling等人于1999年报道了在氟基电解质中形成的自组织多孔/管状TiO2结构，极大地促进了管状TiO2结构的发展[66,67]。1.3.3模板法模板法是一种非常常用的合成技术，它按照已知的模板制备纳米结构。通常，阳极铝膜(AAM)、氧化锌和二氧化硅等被用作模板[68-71]，因为它们可以很容易地通过化学蚀刻或燃烧去除，留下的产物具有预先设定的孔隙率和反向重复的形貌。一般来说，通过在一定条件下调整模板材料的形貌，可以很容易地制备出多种形貌的TiO2材料，如TiO2纳米颗粒[72]，根据材料随模板生长的方式，模板可分为正片和负片。正模板合成可使材料外表面涂层，而负模板合成适用于在模板间隙内沉积材料Lee[73]等人使用一步正模板溶液方法制备了定向TiO2一维纳米管阵列(图1-4a-c)。图1-4使用正模板形成末端封闭TiO2纳米管的步骤示意图（a），ZnO纳米棒（b），TiO2纳米管（c）的TEM图像Figure1-4Schematicdiagramofthestepsfortheformationofend-closedTiO2nanotubesusingpositivetemplates(a),TEMimagesofZnOnanorods(b)andTiO2nanotubes(c)1.4纳米管应用1.4.1光催化TiO2纳米材料由于其高氧化还原能力，广泛用作光催化剂。无论是水污染物还是空气污染物，TiO2都具有良好的光催化活性。此外，二氧化碳在碳烃能燃料中也具有良好的还原活性。光催化主要应用在光催化降解污染物、气污染的光催化降解、光催化将二氧化碳转化为能源燃料和光催化分裂水等。光/光电子催化水分裂面对化石燃料减少的挑战，人类迫切呼吁可持续的能源经济。由于氢被设想为一种清洁、可再生和丰富的能源，通过光催化剂生产氢的水分裂已经成为在未来解决能源短缺问题的有效和有前途的方法之一。考虑到光电解水分裂的机制与污染物的光催化降解方法相似。1D纳米结构材料被认为是高效水分裂的良好候选材料。至于光催化水分裂，导带处的电子可以减少氢离子以产生氢，以及价带处的空穴，它显著地促进了光载流子的转移，并抑制了光源电子和空穴的重组。1.4.2锂离子电池可充电锂离子电池(LIBs)吸引了外部近年来对它们的潜在应用给予了广泛的关注。消费设备和电动汽车，由于他们的高能源密度和非常长寿。类似于的架构基本的电池，锂离子电池由三个组成功能部件：阳极、阴极和电解质。如：如图所示1-5a，