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介孔TiO<,2>材料具有有序的孔道结构、高比表面积和良好的光电性能,因此在染料敏化太阳能电池、光催化剂、化学感光、过滤、生物医学材料和气体传感器等方面显示了广阔的应用前景。近年来对介孔TiO<,2>材料,尤其是介孔TiO<,2>薄膜材料的研究备受关注。
本文以三嵌段共聚物为模板剂,以钛酸正丁酯为无机前驱体,利用Sol-gel法成功制备了纳米晶锐钛矿介孔TiO<,2>材料。研究了反应温度,加水量,焙烧温度等因素对材料结构的影响。TG-DSC,FT-IR,XRD,TEM,SEM,N<,2>吸附脱附等分析手段表明:介孔TiO<,2>粉体制备的最佳温度条件为反应温度40℃,焙烧温度350℃。在该条件下得到的介孔TiO<,2>粉体的BET比表面积为132.35 m<'2>/g,孔容为0.15 cm<'3>儋,平均孔径为4.5 nm,且孔径分布较窄。
用旋涂法成功制备了有序纳米晶介孔TiO<,2>薄膜,小角XRD和HRTEM研究表明,薄膜具有有序的介孔结构;SEM和AFM研究表明,单层介孔TiO<,2>薄膜的厚度约为130 nm,介孔孔道垂直于基片,介孔形状为六方结构。研究了单晶硅片、普通玻璃片、ITO玻璃片、致密氧化铝陶瓷等基片对介孔TiO<,2>薄膜结构的影响,基片对介孔Ti<,2>莩膜骨架的晶型转变和孔道的重排有诱导作用。基片的结晶程度直接影响着介孔的结构和孔道的有序性。同时研究了溶剂和酸性等合成条件对有序介孔TiO<,2>薄膜的成膜性和结构的影响。
首次研究了纳米晶有序介孔TiO<,2>薄膜的光学性能。紫外-可见吸收光谱表明,介孔TiO<,2>薄膜的带隙宽度(3.58 eV)比锐钛矿体材料的带隙宽度(3.2 eV)宽,光学吸收边蓝移。与纳米TiO<,2>薄膜相比,介孔TiO<,2>薄膜在400 nm处出现了新的吸收峰,且吸收边蓝移;透射光谱表明,介孔TiO<,2>薄膜在500-800 nm处的透过率大于纳米TiO<,2>薄膜的透过率,在360 am-500 nm处透过率有衰减;光致发光光谱表明,介孔TiO<,2>薄膜在350-410 nm(3.03-3.55 eV),410-460 nm(2.70-3.03 eV),460-476 nm(2.61-2.70 eV),650-710 nm(1.75-1.91 eV)等区间具有明显的光致发光特性。
利用多次旋涂法在单晶硅片和普通玻璃片上制备了纳米晶介孔TiO<,2>厚膜。断面SEM观察表明,层与层之间无明显界面。随着介孔TiO<,2>膜厚度的增加,带隙宽度递减,光学吸收边红移;其反射光谱呈周期性振荡,且干涉条纹有规律的增加。