【《介孔TiO2纳米管复合体概述》2400字】

介孔TiO2纳米管复合体概述目录TOC\o"1-3"\h\u22502介孔TiO2纳米管复合体概述 194721.1介孔TiO2纳米管复合体简介 190111.2介孔TiO2纳米管复合体的制备方法 21DTiO2纳米结构材料由于其低成本和良好的物理和化学性能，已被广泛应用于污染物的光催化降解、水分裂、太阳能电池、超级电容器、生物医学器件和锂电池中。然而，与能够提供更多光催化活性区域的0维钛纳米粒子相比，一维钛纳米结构表现出较低的光谱表面积。此外，由于宽带隙（3.2eV，金红石3.0eV），TiO2只能吸收紫外线（3-5%太阳光），阻碍了太阳光的充分利用。单晶相也导致电子/孔对的快速重组。这些缺点（低表面积、宽带隙、吸收紫外线光和单晶）使1DTiO2在可见光下不活跃，并限制了其在更广泛的应用范围。在过去的几年里，人们为扩大表面积、扩大可见光对光/空穴的吸收和抑制光致电子/空穴的重组做出了相当大的努力。常见的策略包括通过掺杂增加光谱表面积和材料改性阳离子。1.1介孔TiO2纳米管复合体简介TiO2通常被认为是在经济上可行和无毒的，它提供了优异的抗光腐蚀性（后者是TiO2在光催化中取得成功的关键原因）。尽管泰坦尼亚有这些期望的特征，但在光催化中使用TiO2所固有的是两个基本缺点：首先，TiO2有很宽的带隙（例如金红石为3eV，锐钛矿为3.2eV），这意味着在太阳光驱动的过程中，只能利用紫外线光；也就是说，只有整个太阳光谱的3−5%被有效吸收。因此，许多研究努力已经试图通过掺杂或带隙工程来减少TiO2的带隙。这些努力导致了各种TiO2的修改，可以根据它们的颜色外观进行分类，如黄色、绿色、红色、蓝色、黑色和大量的灰色阴影。其次，许多期望的电荷转移反应（或到期望反应产物的途径）受到运动阻碍，并制定了广泛的策略来“协同催化”朝着有利方向的光催化反应。TiO2是一种具有宽带隙的n型半导体，并且在紫外线区域的光学吸收(<400nm)。此外，光致产生的电子和空穴很容易重新复合成0D、1D和2DTiO2纳米结构。然而，与钛纳米粒子相比，一维纳米结构在一维方向上具有优越的电荷输运，从而导致一维钛纳米结构中较低的电荷重组。为了实现这一目标，许多尝试都采取了各种方法，包括：水液、溶胶-凝胶、热处理、喷射和电化学方法。预计三个基本的苯：（1）掺杂金属和非金属元素增强光吸收和防止重组电子/空穴，（2）加载金属纳米粒子作为表面等离子体共振(电柱体)光敏剂驱动可见光；（3）合成与另一个半导体或导体形成异质结构，提供适当的能级协同吸收和电荷分离，提高太阳能的利用。1.2介孔TiO2纳米管复合体的制备方法1.2.1光催化活性区域的扩大如我们所知，污染物的光催化降解和光催化水分裂发生在光催化剂的表面（或近表面）。因此，创造足够的表面积来吸收污染物是很重要的。虽然1DTiO2纳米结构具有独特的表面比和高纵横比，但与0DTiO2纳米粒子相比，它具有较低的表面积。有两种方法可以扩大光谱表面积的范围。首先，在一维钛纳米结构表面装饰二相纳米颗粒、纳米棒或纳米线已被证明可以增加光谱表面积和污染物的吸收。此外，形成表面异质结构可以促进电子/空穴的分离，并提高一维纳米结构的光催化性能。然而，难以控制1DTiO2纳米结构上的负载纳米粒子、纳米线或纳米线的尺寸、分布均匀性和密度。其次，通过水热酸腐蚀过程构建一个粗糙的表面可以在现有的一维纳米结构的表面产生大量的纳米颗粒和凹坑。此外，酸腐蚀方法会导致原位产生的纳米颗粒与1DTiO2纳米结构之间的密切接触，促进了光致电荷的分离和转移。孟等人。通过电自旋和水力热法，在TiO2纳米棒上成功地生长出了高密度的二相TiO2纳米棒（图1-6）。图1-6原始TiO2纳米纤维（a和b）和TiO2分层纳米结构（c和d）的SEM和TEM图像Figure1-6SEMandTEMimagesofpristineTiO2nanofibers(aandb)andTiO2hierarchicalnanostructures(candd)1.2.2掺杂金属和非金属元素我们已知，晶体的结构和化学成分会影响材料的功能和性能。将二次电子活性物质导入晶格，能够敏感化一维纳米结构材料，以增强可见光吸收和抑制电子和空穴的重组。Asahi等人首次报道了通过在含氮气体混合物中溅射而掺杂氮的TiO2，并显示了紫外线对可见光区域的扩展吸收，从而增强了在可见光照射下二甲基橙色的光催化降解。侯的研究小组对用热液法浸入热氨溶液中的N掺杂TiO2纳米管进行了系统的研究。如图所示1-7，研究发现，氨溶液与去离子水的摩尔比对去离子水的形态有影响。掺杂氮可以有效地缩小TiO2纳米管的带隙，促进了光源载体的传输，显著提高了在可见光照射下降解（MO）的光催化活性。图1-7用水热法得到的浸没在水（b）和氨溶液（体积（a），浓度分别为¼1:10、1:5、1:2和1:1）后的SEM图像Figure1-7SEMimagesoftheas-anodizedTiO2NTAs(a)afterbeingimmersedinwater(b)andinammoniasolution(c–f,withtheconcentrationofvol(A):vol(DI)¼1:10,1:5,1:2and1:1,respectively)obtainedbythehydrothermalmethod1.2.3装载金属纳米颗粒另一种方法是用贵金属纳米颗粒（Au、Ag、Pt、Pd等）装饰纳米结构材料。用贵金属制备的改性阳离子已被证明可以促进光源载流子的转移，并提高在可见光下的光电子转换效率。一些贵金属（Au、Ag、Pt等）费米能级低于TiO2的导带。在可见光照射下，电子从TiO2的价带转移到导带。因此，贵金属充当电子阱，而在光的TiO2的传导带处产生的电子将向贵金属的传导带移动。同时，光源孔从贵金属的价带转移到TiO2的价带。因此，光产生的电子-空穴对被有效地分离。此外，由于表面等离子体共振效应，贵金属也可以提高可见光下的光响应。采用紫外线辐射还原、等离子体溅射、电沉积、电纺纱和水热等方法，用贵金属纳米颗粒装饰一维钛纳米材料。在这些方法中，水热方法可以更好地控制了金属颗粒的大小和分散。Ye和他的同事通过一种简单的水热策略将量子点敏化，在光电催化水分裂中具有优越的性能（如图1-8）。图1-8Pd/TiO2NTAs(a)、Pt/TiO2纳米管(b)、Au/TiO2纳米棒(c)和Ag/TiO2纳米纤维(d)的Sem图像Figure1-8SemimagesofPd/TiO2NTAs(a),Pt/TiO2nanotubes(b),Au/TiO2nanorods(c)andAg/TiO2nanofibers(d)1.2.3与半导体或导体复合包含较窄的带隙半导体（CdS、CdTe、PbS、Cu2O等）形成