片状TiO2纳米薄膜的制备及其光电化学性能研究

冯思贺 张平 陈昊

摘 要 纳米结构薄膜由于其独特的物理、化学性质一直受到人们的广泛关注。采用水热方法成功在透明导电玻璃（FTO）上生长具有片状纳米结构的TiO2薄膜。利用X射线衍射、场发射扫描电子显微镜等测试对TiO2薄膜样品的结构和形貌进行详细的分析。利用紫外-可见光分光光度计对样品的光吸收性质进行了研究，说明了TiO2薄膜的光吸收特性。此外利用TiO2薄膜作为光电极研究了薄膜样品的光电化学性质，实验结果表明具有片状结构的TiO2薄膜样品具有良好的光电化学性质，最大光电流可以达到0.08 mA/cm2（vs.RHE）。

关键词 纳米结构 TiO2 光电化学

0引言

利用半导体薄膜作为光电极进行水解产氢被认为是未来解决能源和环境问题的有效方法。然而目前大多数的水解制氢体系都面临着很多未能有效解决的问题，例如稳定性和效率低等问题。在理想状态下，光生载流子通过电解液的过程中不会发生复合。但是在实际情况中，电子在传输的过程中会有大量的复合。因此要求作为光电极的半导体材料必须满足以下要求：（1）具有合适的禁带宽度（1.6-2.2 eV）；（2）具有合适的价带（VB）和导带（CB）电势，为了能够水解氢反应的进行，半导体材料的导电电势要高于氢气产生反应的电势，而价带位置要低于氧气产生的电势。此外，价格低廉、光吸收范围大、稳定性等也是影响半导体光电极材料应用的主要因素。

自从1972年Fujishima和Honda第一次报道TiO2半导体材料具有良好的光电化学特性后，TiO2薄膜材料一直被认为是光水解产氢的理想电极材料。近年来，人们对TiO2薄膜进行了大量的研究。实验结果表明具有纳米结构的TiO2薄膜样品展现出了更好的光电化学特性，这主要得益于其良好的电子传输能力和光吸收特性。目前，具有纳米棒、纳米管等形貌的TiO2纳米薄膜都已被证明具有良好的光电化学特性。本文利用简单的水热方法在FTO基片上制备了具有纳米片结构的TiO2薄膜样品，并且样品进行了详细的测试分析。

1实验

1.1片状TiO2薄膜的制备

首先将大小为1.5？ cm的FTO基片进行超声清洗，将FTO基片分别置于去离子水、乙醇和丙酮中超声20 min后烘干备用。然后，在15 ml盐酸和15 ml去离子水的混合溶液中加入钛酸四丁酯，充分搅拌后加入0.04 mol/L的氟钛酸铵，继续搅拌30min后形成均一溶液。将配置好的溶液和FTO基片一同放入50 ml的水热釜中，在170℃条件下反应12 h，待自然冷却后取出样品。最后将得到的样品在马弗炉中550℃的温度下退火处理2 h，待自然冷却后取出样品待测。

1.2分析表征

利用用X射线衍射仪（XRD，丹东浩元DX-2700BH）对二氧化钛薄膜样品的晶体结构进行测试，样品的形貌测试由扫描电子显微镜（SEM，S-4800）得到，以氙灯（500 W）作为光源，TiO2薄膜作为工作电极，以Pt片作为对电极，用甘汞电极为对电极，采用三电极发对样品的光电化学性质进行了测试分析。

2实验结果和讨论

2.1 TiO2薄膜样品的物相分析

图1为FTO基片和沉积TiO2薄膜样品后的XRD图。从图中可以看到，TiO2样品除去FTO基片的衍射峰外得到的衍射峰均为TiO2材料的衍射峰，衍射峰的位置和强度均与标准卡片符合。这说明利用水热方法制备的TiO2薄膜样品是纯净的TiO2材料。

图2可以看到利用水热方法制备的TiO2薄膜样品具有片状结构，TiO2纳米片均匀的生长在FTO基片表面，纳米片的厚度约为240 nm。从侧视图中可以看到，TiO2纳米片几乎垂直于FTO基片表面生长，其高度约为2%em。并且TiO2纳米片之间存有空隙，这一形貌结构增加了TiO2薄膜样品的比表面积，有利于光在薄膜表面的散射，增强了薄膜样品对光的吸收能力，有利于提高样品的光电化学特性。

2.2 TiO2薄膜样品的光电化学分析

图3为利用三电极系统，以片状的TiO2薄膜作为工作电极测试得到的I-t图。从图中可以看到，利用水热法制备得到的片状TiO2薄膜样品对具有良好的光电化学特性。在光照的情况下，其光电流迅速升高，光电流可以达到0.08 mA/cm2（vs.RHE）。当光照消失后，其电流同时下降，其暗电流可以忽略不计。这说明具有片状结构的TiO2薄膜样品可以在光催化产氢及光催化分解有机物等方面有广泛的应用价值。

3结论

本文利用简单的化学水热合成方法在FTO透明导电玻璃基片上成功制备了具有纳米片状结构的TiO2薄膜样品，并利用XRD和SEM等分析手段对样品的结构和形貌进行了表征，结果表明，制备的TiO2薄膜样品成分纯净并具有片状纳米结构，纳米片的厚度约为240 nm，并几乎垂直于基片表面生长，纳米片的高度约为2%em。之后利用三电极系统，以片状TiO2薄膜作为光电极，Pt作為片作为对电极，甘汞电极为参比电极对样品的光电化学性质进行了研究。结果表明片状TiO2薄膜样品具有良好的光催化性能，在光照情况下，其光电流可以达到0.08 mA/cm2。片状TiO2纳米结构薄膜的制备对于对于光催化制氢薄膜的研究具有重要的研究价值。

致谢：

感谢渤海大学创新创业学院以及全国大学生创新创业项目对本工作的支持。

参考文献

[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.