固态基板上自诱导化学气相沉积氧化钛纳米线的制备与性能的研究

氧化钛因具有直接利用太阳能进行光化学转换和对各类有机污染物进行全谱深度氧化的高包容性等特点已成为光化学催化领域的研究热点。氧化钛纳米线更以其巨大的比表面积和优异的亲水性能成为最具应用潜力的光催化剂。已有的氧化钛纳米线多为水热法和模板法制得，制备和应用受到一定限制。本项目在国际上首次采用了在导电的硅化钛薄膜上无催化制备高密度的氧化钛纳米线的新工艺，即先在玻璃基板上化学气相沉积硅化钛薄膜，再在导电的硅化钛薄膜上自诱导制备氧化钛纳米线。该工艺不仅能成功实现大面积的单晶氧化钛纳米线在固态基板上的制备，有效解决催化剂分离和回收的难题，并可由硅化钛掺杂来改变其表观禁带宽度，明显提高其光电转换效率，这对促进光催化分解有机污染物的相关领域的科学研究和应用将产生巨大的推动作用！而且该纳米线相当于是直接在电极表面生长的，也必将对氧化钛纳米线的光电感应器件小型化具有极高的科学意义和使用价值！

氧化钛因具有直接利用太阳能进行光化学转换和对各类有机污染物进行全谱深度氧化的高包容性等特点已成为光化学催化领域的研究热点。氧化钛纳米线更以其大的比表面积和优异的亲水性能成为最具应用潜力的光催化剂。已有的氧化钛纳米线多为水热法和模板法制得，制备和应用受到一定限制。本项目在国际上首次采用常压化学气相沉积的方法，以SiH4和TiCl4作为反应前驱体，N2气作为稀释气体和保护气体，在玻璃基板上先沉积一层硅化钛薄膜层，然后在硅化钛薄膜上以热氧化法自诱导生长了高密度的单晶氧化钛纳米线的新工艺。我们系统研究了反应参数对氧化钛纳米线结构和性能的影响规律，并对氧化钛纳米线的生长机制进行了探讨。.本课题的研究结果如下：.（1）采用APCVD法在玻璃基板上成功地制备了高密度的单晶氧化钛纳米线，诱导层薄膜为六方结构的Ti5Si3相或面心正交结构的TiSi2相。纳米线长约0.5-2µm，直径20-40nm，长径比超过25。所制备的氧化钛纳米线为四方晶系的金红石相，纳米线的生长是垂直于其（110）面的[001]方向，它们是由底部向上生长，顶端被抬高，定义为自诱导生长。我们发现的二氧化钛纳米线自诱导生长机制有助于进一步认识纳米结构的生长。.（2）Si/Ti摩尔比是控制硅化钛诱导薄膜层中硅化钛晶相的形成的根本因素，进而影响氧化钛纳米线的自诱导生成。根据热力学计算和实验证实：最佳生成Ti5Si3晶相的Si/Ti摩尔比为1，最佳生成TiSi2晶相的Si/Ti摩尔比为3。.（3）以Ti5Si3或TiSi2晶相为诱导层生长氧化钛纳米线的适宜条件为：生长温度720oC；沉积时间为60-90s；气流速度1000-1500sccm；气体总浓度为2.7%；氧化保温时间为120min。.（4）形成的氧化钛纳米线/硅化钛复合结构表面出优异的光电性能，方块电阻最小值为0.723Ω/sq。其接触角在未经紫外线照射时为13.5o，经紫外光照射后二氧化钛纳米线表面上的水滴几乎平铺。当降解时间为180min时，二氧化钛纳米线对亚甲基蓝的降解率达到80%。.（5）成功制备出了硅掺杂的氧化钛纳米线，Si元素基本均匀分布于纳米线中，硅掺杂的氧化钛纳米线具有更好的亲水性能和更高的荧光强度。.本工艺实现了大面积的单晶氧化钛纳米线在固态基板上的制备，有效解决催化剂分离和回收的难题，对促进光催化分解有机污染物的科学研究和应用将产生重要作用。