基于碳納米墻的半導體復合材料制備、表征及其光催化性能研究.pdf

1、零維C60和一維碳納米管被發現以后，納米結構碳材料的研究及應用引起了人們的廣泛關注，但二維納米結構的碳納米墻的研究卻較少。碳納米墻可用于電子器件、超導、場發射等方面，特別是由于具有自支撐的開放式結構和高的表面積，非常適合作為催化劑的載體。TiO2和WO3均是半導體材料，因具有較強的光催化氧化能力和高的光化學穩定性，所以廣泛地作為催化劑用于多相光催化中。但TiO2和WO3的光催化效率有待進一步提高以達到實用化目的，同時光催化劑在使用中遇到

2、粉體光催化劑難于分離回收，而負載于致密載體的催化劑的比表面積較小。利用碳納米墻的表面結構特點，將TiO2和WO3光催化劑與碳納米墻復合，可有效提高光催化劑比表面積，而且光催化劑與碳納米墻間形成的異質結構會有利于光致電子一空穴的分離。為此，采用偏壓等離子體增強熱絲化學氣相沉積方法制備的碳納米墻為基體，用化學氣相沉積方法制備了TiO2/碳納米墻和WO3/碳納米墻復合材料，并對材料進行了系統表征和光催化性能的研究。本論文主要開展了以下幾個方面

3、的工作： (1)獨立設計并建造了偏壓等離子體增強熱絲化學氣相沉積裝置，該裝置的加熱功率為3 kW，熱絲和基體間的外加偏壓可以達到300 V，最大成膜面積20 cm-2。利用該裝置，以金屬鈦為基體，選用H2和CH4作為反應氣體，可以大量制備質地均勻的碳納米墻。反應過程中甲烷和氫氣的流量分別為18 sccm和6 sccm，體系壓強為3000 Pa，基體溫度為600℃，基體偏壓100 V，沉積時間為0.5 h。采用掃描電子顯微鏡對樣品

4、進行分析結果表明，碳納米墻具有自支撐的碳納米片網狀結構，完全獨立的垂直于基體方向向外擴展。單個碳納米墻的厚度約為10 nm，長度在500 nm到1μm之間，高度約為2μm。透射電鏡選區電子衍射分析和拉曼光譜分析表明碳納米墻是以sp2雜化形式為主的石墨類物質。碳納米墻的形成主要決定于直流偏壓所形成的電場，而等離子體氛圍中碳粒子和原子氫的濃度也是形成碳納米墻的關鍵因素。 (2)以碳納米墻為基體，使用加熱鎢絲的化學氣相沉積方法，保持真

5、空反應室內空氣的壓強為3000 Pa，控制加熱電流為20 A，加熱時間為5 min，可將WO3非常均勻的包覆在碳納米墻外壁，制備出WO3/碳納米墻復合材料。這種復合材料的形成得益于碳納米墻所具有的開放的形貌結構。拉曼光譜和x射線衍射分析表明沉積在碳納米墻上的WO3的晶體結構為單斜晶系的WO3。紫外-可見漫反射測試表明WO3/碳納米墻復合材料具有一定的光響應。在相同實驗條件下，WO3/納米墻電極的光電流密度及光催化降解對硝基苯酚的降解效率

6、高于所對照的三氧化鎢納米帶陣列電極。 (3)以碳納米墻為基體，選擇鈦酸四丁酯為鈦源，用金屬有機化學氣相沉積方法，制備出TiO2/碳納米墻復合材料。在TiO2沉積過程中，通入500 sccm的氬氣作為載氣，沉積溫度控制在320℃，鈦酸四丁酯的用量為0.05 mLmin-1。當沉積過程結束后，將反應器的溫度以2℃ min-1的速度從320℃升至430℃，保溫1 h。隨著Tio2沉積時間的延長，Tio2/碳納米墻的厚度可以從幾十納米增

7、至近200 nm。拉曼光譜和x射線衍射分析表明沉積在碳納米墻上Tio2為銳鈦礦相晶體。手工半導體參數儀所測定的電流一電壓(I-V)曲線表明TiO2和碳納米墻之間可以形成異質結構。表面光電壓作用譜和光電流密度分析確定TiO2和碳納米墻間形成的異質結構有利于減少光生電子和空穴的復合。選擇苯酚作為目標污染物，光催化降解苯酚的實驗表明TiO2/碳納米墻電極的光催化活性高于二氧化鈦納米管陣列電極。TiO2/碳納米墻光電極所具有的開放式的高比表面積