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介孔TiO2薄膜由于其独特的有序孔道结构和高比表面积特性,已受到越来越多学者的关注,并广泛应用于一系列涉及光电化学反应的研究领域。由于薄膜内部纳米粒子的排布结构与材料的吸附性能、电子传输效率有着密切联系,薄膜制备过程中结构的调控显得尤为重要。因而,有必要对介观结构的表征和形成机理进行深入研究。此外,尽管介孔TiO2薄膜材料在染料敏化太阳能电池、光催化和自清洁玻璃等方面的应用已经有了一定程度的发展,但其在光生阴极保护方面的研究尚未有人涉及。
本文基于蒸发诱导自组装结合溶胶.凝胶技术原理,以TBT-P123-BuOH-HC1混合液为前驱体溶胶,采用提拉法在高湿度环境下制得TiO2湿膜,最终经过特殊的热处理工艺获得有序介孑TiO2薄膜。结合电子显微观察、X射线衍射、吸附测试等表征手段,深入研究了热处理温度对薄膜介观结构演变和吸附润湿性能的影响,初步提出了介孔TiO2薄膜的自组装和结构转变机理。同时,采用光电化学测试技术对介孔TiO2薄膜的光生阴极保护性能进行了研究,进一步阐明了介观结构对材料光电性能的影响,主要研究内容和结果如下:
1、利用溶胶.凝胶提拉法在FTO导电玻璃上制备了有序介孔TiO2薄膜,发现经350℃热处理后,薄膜内部的介孔呈三维六方对称排列(P63/mmc空间群);随着热处理温度升高至450℃～500℃,孔洞沿着垂直基底的方向“首尾相连”形成类似网状的垂直孔道结构;与三维六方结构相比,垂直孔道结构对溶液分子表现出更加优秀的吸附和润湿性能。
2、探讨了薄膜介观结构的自组装和转变机理。研究表明:高湿度环境和低TBT/P123体积比是获得三维六方介观相的关键;同时热处理过程中,介孔沿着垂直方向的收缩合并及纳米晶粒的逐渐长大,是垂直孔道结构转变的主要原因。
3、研究了提拉速率对介孔TiO2薄膜光生阴极保护性能的影响。结果显示:当提拉速率为100mm/min时,TiO2薄膜的厚度达到最大值,在光照下对304不锈钢起到最佳的光生阴极保护效果。
4、研究了介观结构对介孔TiO2薄膜光生阴极保护性能的影响。光电化学测试结果表明:垂直孔道结构能显著提高光阳极对空穴捕获剂分子的吸附及光生电子的快速导出,使材料表现出明显增强的光电性能。