贵金属复合二氧化钛纳米管的制备及SERS与气敏效应研究

论文摘要

二氧化钛纳米管阵列（TNTA）由于具有高比表面积、取向高度一致性、以及突出的物理化学性质，使得其在光催化降解、气敏、染料敏化太阳能电池、湿度传感器和光致变色等领域具有广泛的应用前景。本论文通过阳极氧化法，制备得到贵金属Ag、Pd、Au复合的TNTA。以TNTA为模板，复合贵金属Ag制备出可重复使用的多功能表面拉曼增强（SERS）基底。研究了染料敏化TNTA的光促氢敏、气敏机理以及Pd催化剂的作用。还初步测试了Au复合二氧化钛纳米管对于NO2的敏感性能。本文采用Ti-Ag合金纳米管、二氧化钛纳米管热处理前液相沉积以及热处理后等离子溅射等方法制备得到银复合TNTA。形貌的比较结果表明，热处理后等离子溅射银的二氧化钛纳米管表面银为具有纳米尺度的球状或者棒状，适合用于SERS。测量了其对R6G的SERS效应以及基底的可重复使用性和降解功能。结果表明，随着二氧化钛纳米管管径的增大，SERS效果逐渐增大。在UV光照下，R6G很快被降解，银复合TNTA适用于作为可重复使用的SERS基底和降解有机物。但是在纳米管径为50nm时，银向纳米管内部迁移，生成了棒状结构，SERS效果显著，与110nm管径的基底效果相当。采用阳极氧化的方法，在含F-的醇溶液中制备得到整齐的TNTA。在TNTA表面分别修饰染料N719与Pd，并在不同的光照条件下测量其室温氢敏性能。结果表明，染料敏化使得二氧化钛纳米管在室温可见光照下对氢气响应；Pd亦能使得TNTA在室温达到氢敏的效果。采用阻抗分析手段，讨论了染料敏化、Pd修饰、可见光以及模拟太阳光对TNTA氢敏的影响。进一步分析表明，二氧化钛纳米管的等效电路与金属/半导体接触模型一致，UV光很可能提高了二氧化钛纳米管表面O-离子的活性，而可见光能提高染料敏化TNTA的O-离子活性，Pd则能使表面氢分子分解为氢原子，促进了室温的氢气敏感效应。采用不同条件制备了Au复合TNTA，并初步测试了其对NO2的气敏性能。结果表明，Au复合TNTA在室温下对500ppb的NO2有响应。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 1.1 背景
• 2纳米管的制备'>1.2 TiO₂纳米管的制备
• 1.2.1 二氧化钛的性质
• 2纳米管的制备'>1.2.2 普通 TiO₂纳米管的制备
• 2纳米管的制备'>1.2.3 金属复合 TiO₂纳米管的制备
• 1.3 二氧化钛纳米管与拉曼光谱的表面增强效应
• 1.3.1 拉曼光谱的表面增强
• 1.3.2 表面增强拉曼光谱的增强机理
• 1.3.3 制备稳定 SERS 基底的方法
• 1.3.4 二氧化钛纳米管与 SERS 效应
• 1.4 金属氧化物半导体的气敏原理
• 1.4.1 电导型半导体气敏原理
• 1.4.2 金属/半导体势垒结模型
• 1.5 二氧化钛纳米管的光促气敏效应
• 1.6 本论文选题意义及主要内容
• 第二章 实验过程及表征方法
• 2.1 实验技术路线
• 2.2 主要的实验试剂及仪器
• 2.2.1 主要试剂
• 2.2.2 主要仪器
• 2.3 材料的制备
• 2.4 材料的主要表征方法
• 2.4.1 拉曼光谱检测（Raman）
• 2.4.2 扫描电子显微镜（SEM）与场发射扫描电子显微镜（FESEM）
• 2.4.3 透射电子显微镜（TEM）
• 2.4.5 紫外可见分光光度计（UV-Vis）
• 2.4.6 X-ray 衍射（XRD）
• 2.5 气敏性能测量
• 2.5.1 动态光促气敏测试
• 2.5.2 静态探针气敏测试
• 2纳米管阵列的制备及其 SERS 效应'>第3章 银复合 TiO₂纳米管阵列的制备及其 SERS 效应
• 3.1 前言
• 3.2 银复合二氧化钛纳米管阵列的制备
• 2纳米管阵列'>3.2.1 Ti-Ag 合金阳极氧化制备银复合 TiO₂纳米管阵列
• 2纳米管阵列'>3.2.2 液相沉积法制备银复合 TiO₂纳米管阵列
• 2纳米管阵列'>3.2.3 等离子体溅射制备银复合 TiO₂纳米管阵列
• 3.3 拉曼光谱的测量
• 2纳米管阵列拉曼增强光谱'>3.3.1 未经 UV 光还原的银复合 TiO₂纳米管阵列拉曼增强光谱
• 3.3.2 UV 光还原表面银后的拉曼增强
• 3.3.3 基底经 UV 光降解后的拉曼信号
• 2纳米管阵列的 SERS 效应'>3.3.4 银复合 TiO₂纳米管阵列的 SERS 效应
• 3.4 本章小结
• 第4章 二氧化钛纳米管阵列的光促氢敏研究
• 4.1 前言
• 4.2 二氧化钛纳米管阵列的制备
• 4.2.1 实验原理及方法
• 4.2.2 二氧化钛纳米管的热处理
• 4.2.3 染料敏化二氧化钛纳米管阵列的光促氢敏原理
• 4.3 染料敏化二氧化钛纳米管阵列（DST）表征及氢敏分析
• 4.3.1 二氧化钛纳米管阵列的表征
• 4.3.2 DST 的光电压与光电流响应
• 4.3.3 不同温度对 DST 的光电压与光电流的影响
• 4.3.4 不同温度与光照下 DST 的阻抗分析
• 4.3.5 DST 的氢敏测试
• 2纳米管阵列的 Mott-Schottky 关系分析'>4.3.6 DST 及 Pd 修饰 TiO₂纳米管阵列的 Mott-Schottky 关系分析
• 4.4 本章小结
• 2纳米管阵列的制备及其 NO₂敏感性能初步研究'>第5章 Au 复合 TiO₂纳米管阵列的制备及其 NO₂敏感性能初步研究
• 5.1 前言
• 2纳米管阵列的制备'>5.2 Au 复合 TiO₂纳米管阵列的制备
• 2纳米管阵列的形貌表征'>5.3 Au 复合 TiO₂纳米管阵列的形貌表征
• 2敏感性能初步测试'>5.4 NO₂敏感性能初步测试
• 5.5 小结
• 第六章 全文结论及后续研究建议
• 6.1 全文总结
• 6.2 后续研究建议
• 参考文献
• 致谢
• 本人简历
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文