TiO2纳米管阵列同轴异质结的调控制备、电荷传输机理及产氢特性研究

能源危机和环境污染是世界各国面临的重大难题，光催化技术是缓解该问题的有效途径，其技术的关键是高性能光催化剂的获得。本项目以TiO2纳米管阵列为研究对象，在实现对TiO2纳米管阵列的形貌结构有效控制的基础上，采用电化学原子层外延法（ECALE）在TiO2纳米管阵列上制备具有同轴异质结结构的超薄窄带隙半导体外延敏化层，利用ECALE独特的工艺优点得到不同厚度的同轴异质结外延敏化层并对其进行掺杂改性，进而从微观修饰角度探求TiO2纳米管阵列敏化同轴异质结的电荷传输机理及光电特性的影响规律，在此基础上研发出具有高效可见光响应性能的新型TiO2纳米阵列复合异质结薄膜电极，并将其应用于光催化分解水制氢。本项目旨在建立太阳能光催化分解水制氢和光催化降解有毒有机污染物中新型半导体纳米材料的合成新方法，为光催化提供性能优良的纳米薄膜材料，也为有关半导体纳米材料的研究提供新技术。

采用两步阳极氧化方法制备出了表面没有纳米线的TiO2纳米管，得到的纳米管阵列管口清晰，大小规整一致且形貌参数可控。在此基础上利用改进的EC-ALD方法成功制备出具有同轴异质结结构的新型CdS/TiO2、CdSe/TiO2、CdTe/TiO2、Bi2S3/TiO2、Cu2O/TiO2、Cu2Se/CdSe/TiO2以及CdSe/CdS/TiO2纳米阵列复合薄膜电极。探讨了沉积时间和沉积电量对所制备的同轴异质结的光电化学性能和电荷传输特性的影响规律。分别采用Zn和Cu对所制备的TiO2纳米管阵列同轴异质结进行了掺杂改性，考察了掺杂位置和元素掺杂量对其光电化学性能及电荷传输的影响，阐明了掺杂改性提高光电化学性能的内在机理。研究了所制备的同轴异质结的抗蚀性及电化学稳定性。为实现其光解水产氢应用及改善产氢稳定性和使用寿命，我们引入光纤原理在复合同轴异质结光催化剂外表面负载超薄金属层，以防止表面光腐蚀和增加其太阳光的捕获能力。分别采用Co和Ni外延层对所制备的同轴异质结进行了包覆，并探讨了金属包覆对其光催化性能和电化学稳定性能的影响机理。证实这种窄带隙半导体敏化的同轴异质结纳米阵列光阳极具有优良的可见光响应性能和光解水产氢能力，为发展绿色清洁能源的高效产能光催化材料打下了坚实的基础。