片狀TiO2納米薄膜的制備及其光電化學(xué)性能研究

馮思賀 張平 陳昊

摘 要 納米結(jié)構(gòu)薄膜由于其獨(dú)特的物理、化學(xué)性質(zhì)一直受到人們的廣泛關(guān)注。采用水熱方法成功在透明導(dǎo)電玻璃（FTO）上生長(zhǎng)具有片狀納米結(jié)構(gòu)的TiO2薄膜。利用X射線衍射、場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡等測(cè)試對(duì)TiO2薄膜樣品的結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行詳細(xì)的分析。利用紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)對(duì)樣品的光吸收性質(zhì)進(jìn)行了研究，說(shuō)明了TiO2薄膜的光吸收特性。此外利用TiO2薄膜作為光電極研究了薄膜樣品的光電化學(xué)性質(zhì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明具有片狀結(jié)構(gòu)的TiO2薄膜樣品具有良好的光電化學(xué)性質(zhì)，最大光電流可以達(dá)到0.08 mA/cm2（vs.RHE）。

關(guān)鍵詞 納米結(jié)構(gòu) TiO2 光電化學(xué)

0引言

利用半導(dǎo)體薄膜作為光電極進(jìn)行水解產(chǎn)氫被認(rèn)為是未來(lái)解決能源和環(huán)境問(wèn)題的有效方法。然而目前大多數(shù)的水解制氫體系都面臨著很多未能有效解決的問(wèn)題，例如穩(wěn)定性和效率低等問(wèn)題。在理想狀態(tài)下，光生載流子通過(guò)電解液的過(guò)程中不會(huì)發(fā)生復(fù)合。但是在實(shí)際情況中，電子在傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)有大量的復(fù)合。因此要求作為光電極的半導(dǎo)體材料必須滿足以下要求：（1）具有合適的禁帶寬度（1.6-2.2 eV）；（2）具有合適的價(jià)帶（VB）和導(dǎo)帶（CB）電勢(shì)，為了能夠水解氫反應(yīng)的進(jìn)行，半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電電勢(shì)要高于氫氣產(chǎn)生反應(yīng)的電勢(shì)，而價(jià)帶位置要低于氧氣產(chǎn)生的電勢(shì)。此外，價(jià)格低廉、光吸收范圍大、穩(wěn)定性等也是影響半導(dǎo)體光電極材料應(yīng)用的主要因素。

自從1972年Fujishima和Honda第一次報(bào)道TiO2半導(dǎo)體材料具有良好的光電化學(xué)特性后，TiO2薄膜材料一直被認(rèn)為是光水解產(chǎn)氫的理想電極材料。近年來(lái)，人們對(duì)TiO2薄膜進(jìn)行了大量的研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明具有納米結(jié)構(gòu)的TiO2薄膜樣品展現(xiàn)出了更好的光電化學(xué)特性，這主要得益于其良好的電子傳輸能力和光吸收特性。目前，具有納米棒、納米管等形貌的TiO2納米薄膜都已被證明具有良好的光電化學(xué)特性。本文利用簡(jiǎn)單的水熱方法在FTO基片上制備了具有納米片結(jié)構(gòu)的TiO2薄膜樣品，并且樣品進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)試分析。

1實(shí)驗(yàn)

1.1片狀TiO2薄膜的制備

首先將大小為1.5？ cm的FTO基片進(jìn)行超聲清洗，將FTO基片分別置于去離子水、乙醇和丙酮中超聲20 min后烘干備用。然后，在15 ml鹽酸和15 ml去離子水的混合溶液中加入鈦酸四丁酯，充分?jǐn)嚢韬蠹尤?.04 mol/L的氟鈦酸銨，繼續(xù)攪拌30min后形成均一溶液。將配置好的溶液和FTO基片一同放入50 ml的水熱釜中，在170℃條件下反應(yīng)12 h，待自然冷卻后取出樣品。最后將得到的樣品在馬弗爐中550℃的溫度下退火處理2 h，待自然冷卻后取出樣品待測(cè)。

1.2分析表征

利用用X射線衍射儀（XRD，丹東浩元DX-2700BH）對(duì)二氧化鈦薄膜樣品的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，樣品的形貌測(cè)試由掃描電子顯微鏡（SEM，S-4800）得到，以氙燈（500 W）作為光源，TiO2薄膜作為工作電極，以Pt片作為對(duì)電極，用甘汞電極為對(duì)電極，采用三電極發(fā)對(duì)樣品的光電化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)試分析。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 TiO2薄膜樣品的物相分析

圖1為FTO基片和沉積TiO2薄膜樣品后的XRD圖。從圖中可以看到，TiO2樣品除去FTO基片的衍射峰外得到的衍射峰均為T(mén)iO2材料的衍射峰，衍射峰的位置和強(qiáng)度均與標(biāo)準(zhǔn)卡片符合。這說(shuō)明利用水熱方法制備的TiO2薄膜樣品是純凈的TiO2材料。

圖2可以看到利用水熱方法制備的TiO2薄膜樣品具有片狀結(jié)構(gòu)，TiO2納米片均勻的生長(zhǎng)在FTO基片表面，納米片的厚度約為240 nm。從側(cè)視圖中可以看到，TiO2納米片幾乎垂直于FTO基片表面生長(zhǎng)，其高度約為2%em。并且TiO2納米片之間存有空隙，這一形貌結(jié)構(gòu)增加了TiO2薄膜樣品的比表面積，有利于光在薄膜表面的散射，增強(qiáng)了薄膜樣品對(duì)光的吸收能力，有利于提高樣品的光電化學(xué)特性。

2.2 TiO2薄膜樣品的光電化學(xué)分析

圖3為利用三電極系統(tǒng)，以片狀的TiO2薄膜作為工作電極測(cè)試得到的I-t圖。從圖中可以看到，利用水熱法制備得到的片狀TiO2薄膜樣品對(duì)具有良好的光電化學(xué)特性。在光照的情況下，其光電流迅速升高，光電流可以達(dá)到0.08 mA/cm2（vs.RHE）。當(dāng)光照消失后，其電流同時(shí)下降，其暗電流可以忽略不計(jì)。這說(shuō)明具有片狀結(jié)構(gòu)的TiO2薄膜樣品可以在光催化產(chǎn)氫及光催化分解有機(jī)物等方面有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

3結(jié)論

本文利用簡(jiǎn)單的化學(xué)水熱合成方法在FTO透明導(dǎo)電玻璃基片上成功制備了具有納米片狀結(jié)構(gòu)的TiO2薄膜樣品，并利用XRD和SEM等分析手段對(duì)樣品的結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行了表征，結(jié)果表明，制備的TiO2薄膜樣品成分純凈并具有片狀納米結(jié)構(gòu)，納米片的厚度約為240 nm，并幾乎垂直于基片表面生長(zhǎng)，納米片的高度約為2%em。之后利用三電極系統(tǒng)，以片狀TiO2薄膜作為光電極，Pt作為片作為對(duì)電極，甘汞電極為參比電極對(duì)樣品的光電化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明片狀TiO2薄膜樣品具有良好的光催化性能，在光照情況下，其光電流可以達(dá)到0.08 mA/cm2。片狀TiO2納米結(jié)構(gòu)薄膜的制備對(duì)于對(duì)于光催化制氫薄膜的研究具有重要的研究?jī)r(jià)值。

致謝：

感謝渤海大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院以及全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目對(duì)本工作的支持。

參考文獻(xiàn)

[1] Li，G.Y.&X.Nie&P.K.Wong&T.C.An&H.Yamashita&H.J.Zhao.Enhanced simultaneous PEC eradication of bacteria and antibiotics by facilely fabricated high-activity{001}facets TiO2 mounted onto TiO2 nanotubular photoanode[J].Water Research ，2016，101（15）：597-605.