[发明专利]一种同轴异质结TiO2纳米管阵列及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种一维纳米管阵列，具体涉及一种有序阵列的同轴异质结结构的纳米管，以及具有这种同轴异质结结构的纳米管阵列薄膜的制备方法。

背景技术

TiO₂纳米管阵列有很好的光催化活性和光电转化效率。TiO₂属于宽带隙半导体，其最大吸收波长处于紫外光区，特别地，近年来发展的高活性纳米TiO₂光催化剂，由于量子尺寸效应而导致其光吸收带进一步蓝移。由于紫外光占太阳光总能量不到5％，因此，研究如何使TiO₂的光催化活性向可见光区拓展，从而高效地利用太阳光进行光生载流子的激发，具有重要的意义。为此，许多研究者通过对TiO₂纳米管阵列的表面改性来改善其对可见光的吸收，发展了具有可见光响应的TiO₂纳米管阵列。

一般而言，光催化剂的性能不但取决于其晶体和电子结构，还与催化剂的微观结构，特别是表面结构密切相关。因此从微观角度进行构造修饰或复合结构，能进一步拓展对电子结构的调控，促进光生电荷的迁移和分离，提高光催化效率。而利用窄带隙半导体敏化设计复合半导体的异质结构就是基于此原理进行的。当窄带隙半导体和宽带隙半导体形成异质结时，可以制备带隙宽度连续变化的新型光催化剂，从而获得较高可见光响应的催化性能。异质结相对染料敏化具有如下优点：电子注入的驱动力可由限域效应进行优化，可获得理想带隙宽度1.5eV的半导体材料，适当表面修饰可获得高稳定的电极材料。但是组成异质结的两种半导体界面必须能带匹配才能有助于光生载流子的分离。其热力学条件是敏化剂的相应能带更负，或者二者费米能级存在差异，这样可见光下敏化剂激发的电子才能迁移到TiO₂，而空穴停留在敏化剂价带，否则窄带隙半导体上的光生载流子因不能有效迁移而将复合损失。Bessekhouad等人采用沉淀法制备了Bi₂S₃/TiO₂和CdS/TiO₂异质结，并研究了其可见光下降解OrangeII，4-羟基苯甲酸和苯甲酰胺的性能。结果表明Bi₂S₃/TiO₂比CdS/TiO₂有效是因为Bi₂S₃能吸收更多可见光(E_g＝1.28eV)，且导带位置与TiO₂更接近，电子的迁移更有效。

目前，复合半导体异质结的研究大多是针对悬浮颗粒或TiO₂纳米颗粒膜，其异质结的复合方法一般采用浸渍法、混合溶胶法、水热合成法或电化学共沉淀法。迄今对TiO₂纳米管阵列进行复合半导体异质结的有关报道较少。Grimes等人利用电化学共沉积的方法在TiO₂纳米管阵列表面沉积了粒径约为10～20nm的CdS颗粒膜，修饰后的TiO₂纳米管阵列禁带宽度为2.53eV，N₂气氛下350℃热处理后禁带宽度为2.41eV，光谱响应范围发生了明显的红移，光电性质也有了较为明显的改善。严思华等人以CdSe纳米粒子为敏化剂，将经过一系列预处理的TiO₂纳米管阵列放在含CdSe纳米粒子的溶液中浸渍，制得敏化的TiO₂纳米管阵列，该阵列具有较强的可见光响应。但是这些复合异质结的光电性能还有待进一步提高。其主要原因是由于TiO₂纳米管阵列的特殊表面结构，采用常规方法生成的异质相容易沉积在TiO₂纳米管内，甚至堵塞纳米管，导致比表面积和吸附能力的降低。

本发明克服了以上技术的缺点，使窄带隙半导体敏化异质相均匀地覆盖在TiO₂纳米管管壁上，形成如图1所示的同轴异质结结构，提高了纳米管阵列的光学性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以同时满足异质结的能带位置、表面结构、几何结构、和接触形式等因素的TiO₂纳米管阵列及其制备方法，具体方案如下：

一种同轴异质结TiO₂纳米管阵列的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备TiO₂纳米管阵列，作为制备同轴异质结纳米管阵列的衬底；

(2)配置反应溶液，即分别配置包含同轴异质结化合物各组成元素的溶液；