钛合金阳极氧化制备TiO2纳米管有序阵列的掺杂研究

有序TiO2纳米管阵列薄膜是最近纳米材料研究的热点。这种材料具有优越的光电转换、气敏及光催化性能。与TiO2纳米粉体相比具有更大的比表面积和更强的吸附能力。因此它在洁净太阳能利用、环保、生物安全等领域有着重要的应用前景。但是TiO2材料只能被紫外光激发获得光生电荷与空穴对。本项目以洁净新能源发展的重大需求为背景，拟通过对钛合金阳极氧化的方法，实现TiO2纳米管有序阵列的制备与掺杂、复合改性同步完成，获得Ti-M（Fe、Nb）-O复合氧化物纳米管阵列结构。在此基础上，进一步对复合型TiO2纳米管阵列薄膜阳极氧化制备过程中合金相结构及合金元素M（Fe、Nb）的行为模式（掺杂方式、掺杂效率）、掺杂机理等系列科学问题开展研究，结合其光电转化性质，研究掺杂对纳米管结构以及性能的影响。本项目拟开展的研究工作对有序TiO2纳米管阵列薄膜的应用及纳米材料科学的发展均具有重要的理论价值和现实意义。

本项目以洁净新能源发展的重大需求为背景，通过对钛合金采用阳极氧化的方法，实现TiO2纳米管有序阵列的制备与掺杂、复合改性同步完成，获得了Ti-M（Fe、Nb）-O复合氧化物纳米管阵列结构。对复合型TiO2纳米管阵列薄膜阳极氧化制备过程中合金相结构及合金元素M（Fe、Nb）的行为模式（掺杂方式、掺杂效率）、掺杂机理等系列科学问题展开了研究，结合其光电转化性质，阐明了掺杂与纳米管性能的构效关系。主要研究内容和获得的认识如下：.1）采用阳极氧化工艺在TiNb合金上成功制备出同轴双壁纳米管阵列。通过较为系统的实验分析，获得了形成同轴双壁结构特征的纳米管阵列结构的4个基本条件。一是TLM是通过固溶+时效处理过的含有大量针状α相的钛合金；二是阳极氧化实验的电解液为乙二醇为主体的有机电解液体系；三是阳极氧化的电压需大于30V；四是阳极氧化的时间不得少于3小时。.2）分析认为Nb元素的存在是诱导同轴双壁纳米管阵列形成的重要原因。阐明了同轴双壁纳米管阵列的内在形成机制，即同轴双壁纳米管阵列的形成归因于Nb元素的掺入引起的TiO2晶格缺陷所导致的收缩拉伸应力，与钛合金在阳极氧化过程中发生的体积膨胀带来的向外压应力，这两个力达到平衡作用的结果。.3）发展了一种使同轴双壁纳米管阵列具有可见光活性的新方法——氢化处理法。通过该法处理的同轴双壁纳米管阵列的吸收光谱向可见光波段有较大拓展，显示出良好的可见光催化性能。.4）Fe元素的添入不改变纳米管阵列的物理形貌，但影响了纳米管阵列的物相组成，所得纳米管阵列是TiO2和α-Fe2O3的复合氧化物。.5）Fe元素的掺入量显著影响纳米管阵列的光电催化能力，在实验研究范围内，较佳的Fe含量为12%，过低或过高的Fe含量均使纳米管阵列的光电催化性能降低。.6）全面完成了项目的各项任务。发表文章10篇，其中SCI 7篇；申请专利9项，其中授权5项；培养博、硕士各一名。