片狀TiO2納米薄膜的制備及其光電化學性能研究

馮思賀 張平 陳昊

摘 要 納米結構薄膜由于其獨特的物理、化學性質一直受到人們的廣泛關注。采用水熱方法成功在透明導電玻璃（FTO）上生長具有片狀納米結構的TiO2薄膜。利用X射線衍射、場發(fā)射掃描電子顯微鏡等測試對TiO2薄膜樣品的結構和形貌進行詳細的分析。利用紫外-可見光分光光度計對樣品的光吸收性質進行了研究，說明了TiO2薄膜的光吸收特性。此外利用TiO2薄膜作為光電極研究了薄膜樣品的光電化學性質，實驗結果表明具有片狀結構的TiO2薄膜樣品具有良好的光電化學性質，最大光電流可以達到0.08 mA/cm2（vs.RHE）。

關鍵詞 納米結構 TiO2 光電化學

0引言

利用半導體薄膜作為光電極進行水解產氫被認為是未來解決能源和環(huán)境問題的有效方法。然而目前大多數(shù)的水解制氫體系都面臨著很多未能有效解決的問題，例如穩(wěn)定性和效率低等問題。在理想狀態(tài)下，光生載流子通過電解液的過程中不會發(fā)生復合。但是在實際情況中，電子在傳輸?shù)倪^程中會有大量的復合。因此要求作為光電極的半導體材料必須滿足以下要求：（1）具有合適的禁帶寬度（1.6-2.2 eV）；（2）具有合適的價帶（VB）和導帶（CB）電勢，為了能夠水解氫反應的進行，半導體材料的導電電勢要高于氫氣產生反應的電勢，而價帶位置要低于氧氣產生的電勢。此外，價格低廉、光吸收范圍大、穩(wěn)定性等也是影響半導體光電極材料應用的主要因素。

自從1972年Fujishima和Honda第一次報道TiO2半導體材料具有良好的光電化學特性后，TiO2薄膜材料一直被認為是光水解產氫的理想電極材料。近年來，人們對TiO2薄膜進行了大量的研究。實驗結果表明具有納米結構的TiO2薄膜樣品展現(xiàn)出了更好的光電化學特性，這主要得益于其良好的電子傳輸能力和光吸收特性。目前，具有納米棒、納米管等形貌的TiO2納米薄膜都已被證明具有良好的光電化學特性。本文利用簡單的水熱方法在FTO基片上制備了具有納米片結構的TiO2薄膜樣品，并且樣品進行了詳細的測試分析。

1實驗

1.1片狀TiO2薄膜的制備

首先將大小為1.5？ cm的FTO基片進行超聲清洗，將FTO基片分別置于去離子水、乙醇和丙酮中超聲20 min后烘干備用。然后，在15 ml鹽酸和15 ml去離子水的混合溶液中加入鈦酸四丁酯，充分攪拌后加入0.04 mol/L的氟鈦酸銨，繼續(xù)攪拌30min后形成均一溶液。將配置好的溶液和FTO基片一同放入50 ml的水熱釜中，在170℃條件下反應12 h，待自然冷卻后取出樣品。最后將得到的樣品在馬弗爐中550℃的溫度下退火處理2 h，待自然冷卻后取出樣品待測。

1.2分析表征

利用用X射線衍射儀（XRD，丹東浩元DX-2700BH）對二氧化鈦薄膜樣品的晶體結構進行測試，樣品的形貌測試由掃描電子顯微鏡（SEM，S-4800）得到，以氙燈（500 W）作為光源，TiO2薄膜作為工作電極，以Pt片作為對電極，用甘汞電極為對電極，采用三電極發(fā)對樣品的光電化學性質進行了測試分析。

2實驗結果和討論

2.1 TiO2薄膜樣品的物相分析

圖1為FTO基片和沉積TiO2薄膜樣品后的XRD圖。從圖中可以看到，TiO2樣品除去FTO基片的衍射峰外得到的衍射峰均為TiO2材料的衍射峰，衍射峰的位置和強度均與標準卡片符合。這說明利用水熱方法制備的TiO2薄膜樣品是純凈的TiO2材料。

圖2可以看到利用水熱方法制備的TiO2薄膜樣品具有片狀結構，TiO2納米片均勻的生長在FTO基片表面，納米片的厚度約為240 nm。從側視圖中可以看到，TiO2納米片幾乎垂直于FTO基片表面生長，其高度約為2%em。并且TiO2納米片之間存有空隙，這一形貌結構增加了TiO2薄膜樣品的比表面積，有利于光在薄膜表面的散射，增強了薄膜樣品對光的吸收能力，有利于提高樣品的光電化學特性。

2.2 TiO2薄膜樣品的光電化學分析

圖3為利用三電極系統(tǒng)，以片狀的TiO2薄膜作為工作電極測試得到的I-t圖。從圖中可以看到，利用水熱法制備得到的片狀TiO2薄膜樣品對具有良好的光電化學特性。在光照的情況下，其光電流迅速升高，光電流可以達到0.08 mA/cm2（vs.RHE）。當光照消失后，其電流同時下降，其暗電流可以忽略不計。這說明具有片狀結構的TiO2薄膜樣品可以在光催化產氫及光催化分解有機物等方面有廣泛的應用價值。

3結論

本文利用簡單的化學水熱合成方法在FTO透明導電玻璃基片上成功制備了具有納米片狀結構的TiO2薄膜樣品，并利用XRD和SEM等分析手段對樣品的結構和形貌進行了表征，結果表明，制備的TiO2薄膜樣品成分純凈并具有片狀納米結構，納米片的厚度約為240 nm，并幾乎垂直于基片表面生長，納米片的高度約為2%em。之后利用三電極系統(tǒng)，以片狀TiO2薄膜作為光電極，Pt作為片作為對電極，甘汞電極為參比電極對樣品的光電化學性質進行了研究。結果表明片狀TiO2薄膜樣品具有良好的光催化性能，在光照情況下，其光電流可以達到0.08 mA/cm2。片狀TiO2納米結構薄膜的制備對于對于光催化制氫薄膜的研究具有重要的研究價值。

致謝：

感謝渤海大學創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學院以及全國大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目對本工作的支持。

參考文獻

[1] Li，G.Y.&X.Nie&P.K.Wong&T.C.An&H.Yamashita&H.J.Zhao.Enhanced simultaneous PEC eradication of bacteria and antibiotics by facilely fabricated high-activity{001}facets TiO2 mounted onto TiO2 nanotubular photoanode[J].Water Research ，2016，101（15）：597-605.