稀碱溶液中水热法制备柔性TiO2纳米须薄膜的生长机制及表征

邓杰 陶杰 吴涛 陶海军

引用本文: 邓杰, 陶杰, 吴涛, 陶海军. 稀碱溶液中水热法制备柔性TiO2纳米须薄膜的生长机制及表征[J]. 物理化学学报, doi: 10.3866/PKU.WHXB201302041 shu
Citation:  DENG Jie, TAO Jie, WU Tao, TAO Hai-Jun. Growth Mechanism and Characterization of Flexible TiO2 Nanowhisker Films Hydrothermally Synthesized in Dilute Alkaline Solution[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, doi: 10.3866/PKU.WHXB201302041 shu

稀碱溶液中水热法制备柔性TiO2纳米须薄膜的生长机制及表征

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(51202112) (51202112)

    江苏省科技支撑计划项目(BE2009130) (BE2009130)

    南京航空航天大学基本科研业务费专项科研项目(NS2010153)资助 (NS2010153)

摘要:

以柔性不锈钢基底上经磁控溅射沉积的钛膜为钛源, 在1 mol·L-1的低浓度NaOH溶液中水热法制备了朝基底上方取向生长的大长径比柔性TiO2纳米须薄膜, 考察了钛膜沉积条件对纳米须薄膜的影响, 系统研究了水热反应条件对薄膜生长过程的影响及TiO2纳米须薄膜的形成机制. 通过场发射扫描电镜(FESEM)、X射线能谱仪(EDS)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、X射线衍射仪(XRD)等对样品进行了表征. 结果表明, 与室温沉积的钛膜相比, 600 ℃下沉积的钛膜水热后得到的纳米线薄膜与基底的附着力更好. 所得TiO2纳米须为单晶锐钛矿, 经由Na2Ti2O4(OH)2、H2Ti2O5·H2O转变而来. 纳米须形成于水热阶段, 平行于Na2Ti2O4(OH)2的(100)晶面择优取向生长, 纳米须经历了纳米片→纳米线束→纳米线的裂解生长过程. 朝基底上方取向生长的纳米须薄膜的形成是低浓度NaOH溶液与较高水热温度(220 ℃)协同作用的结果. 进一步在Na2SO4溶液中研究了薄膜电极的光电化学性能, 结果表明, TiO2纳米须薄膜的光电性能明显优于零维纳米颗粒薄膜和二维纳米片薄膜, 显示了良好的应用前景.

English

    1. [1]

      (1) O'Regan, B.; Grätzel, M. Nature 1991, 353, 737. doi: 10.1038/353737a0

      (1) O'Regan, B.; Grätzel, M. Nature 1991, 353, 737. doi: 10.1038/353737a0

    2. [2]

      (2) Lee, S.; Cho, I.; Lee, J. H.; Kim, D. H.; Kim, D.W.; Kim, J. Y.;Shin, H.; Lee, J.; Jung, H. S.; Park, N.; Kim, K.; Ko, M. J.;Hong, K. S. Chem. Mater. 2010, 22, 1958. doi: 10.1021/cm902842k(2) Lee, S.; Cho, I.; Lee, J. H.; Kim, D. H.; Kim, D.W.; Kim, J. Y.;Shin, H.; Lee, J.; Jung, H. S.; Park, N.; Kim, K.; Ko, M. J.;Hong, K. S. Chem. Mater. 2010, 22, 1958. doi: 10.1021/cm902842k

    3. [3]

      (3) Li, T. C.; Fabregat-Santia , F.; Farha, O. K.; Spokoyny, A. M.;Raga, S. R.; Bisquert, J.; Mirkin, C. A.; Marks, T. J.; Hupp, J. T.J. Phys. Chem. C 2011, 115, 11257. doi: 10.1021/jp112139h(3) Li, T. C.; Fabregat-Santia , F.; Farha, O. K.; Spokoyny, A. M.;Raga, S. R.; Bisquert, J.; Mirkin, C. A.; Marks, T. J.; Hupp, J. T.J. Phys. Chem. C 2011, 115, 11257. doi: 10.1021/jp112139h

    4. [4]

      (4) Chang, M. L.; Li, X. J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2012, 28, 1368.[常萌蕾, 李新军. 物理化学学报, 2012, 28, 1368.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201203161(4) Chang, M. L.; Li, X. J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2012, 28, 1368.[常萌蕾, 李新军. 物理化学学报, 2012, 28, 1368.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201203161

    5. [5]

      (5) Shi, J.; Chen, S.;Wang, S.;Wu, P.; Xu, G. Journal of MolecularCatalysis A: Chemical 2009, 303, 141. doi: 10.1016/j.molcata.2009.01.016(5) Shi, J.; Chen, S.;Wang, S.;Wu, P.; Xu, G. Journal of MolecularCatalysis A: Chemical 2009, 303, 141. doi: 10.1016/j.molcata.2009.01.016

    6. [6]

      (6) Reyes-Garcia, E. A.; Sun, Y.; Reyes-Gil, K. R.; Raftery, D. SolidState Nuclear Magnetic Resonance 2009, 35, 74. doi: 10.1016/j.ssnmr.2009.02.004(6) Reyes-Garcia, E. A.; Sun, Y.; Reyes-Gil, K. R.; Raftery, D. SolidState Nuclear Magnetic Resonance 2009, 35, 74. doi: 10.1016/j.ssnmr.2009.02.004

    7. [7]

      (7) Yu, H.; Irie, H.; Shimodaira, Y.; Hosogi, Y.; Kuroda, Y.;Miyauchi, M.; Hashimoto, K. J. Phys. Chem. C 2010, 114,16481. doi: 10.1021/jp1071956(7) Yu, H.; Irie, H.; Shimodaira, Y.; Hosogi, Y.; Kuroda, Y.;Miyauchi, M.; Hashimoto, K. J. Phys. Chem. C 2010, 114,16481. doi: 10.1021/jp1071956

    8. [8]

      (8) Lin, S.; Li, D.;Wu, J.; Li, X.; Akbar, S. A. Sensors andActuators B: Chemical 2011, 156, 505. doi: 10.1016/j.snb.2011.02.046(8) Lin, S.; Li, D.;Wu, J.; Li, X.; Akbar, S. A. Sensors andActuators B: Chemical 2011, 156, 505. doi: 10.1016/j.snb.2011.02.046

    9. [9]

      (9) García-Berríos, E.; Gao, T.;Walker, D.; Brunschwig, B. S.;Lewis, N. S. Sensors and Actuators B: Chemical 2011, 158, 17.doi: 10.1016/j.snb.2011.04.022(9) García-Berríos, E.; Gao, T.;Walker, D.; Brunschwig, B. S.;Lewis, N. S. Sensors and Actuators B: Chemical 2011, 158, 17.doi: 10.1016/j.snb.2011.04.022

    10. [10]

      (10) Zhang, Q.; Chou, T. P.; Russo, B.; Jenekhe, S. A.; Cao, G.Angew. Chem. Int. Edit. 2008, 47, 2402.(10) Zhang, Q.; Chou, T. P.; Russo, B.; Jenekhe, S. A.; Cao, G.Angew. Chem. Int. Edit. 2008, 47, 2402.

    11. [11]

      (11) Sauvage, F.; Fonzo, F. D.; Bassi, A. L.; Casari, C. S.; Russo, V.;Divitini, G.; Ducati, C.; Bottani, C. E.; Comte, P.; Grätzel, M.Nano Lett. 2010, 10, 2562. doi: 10.1021/nl101198b(11) Sauvage, F.; Fonzo, F. D.; Bassi, A. L.; Casari, C. S.; Russo, V.;Divitini, G.; Ducati, C.; Bottani, C. E.; Comte, P.; Grätzel, M.Nano Lett. 2010, 10, 2562. doi: 10.1021/nl101198b

    12. [12]

      (12) Smith,W.; Mao, S.; Lu, G.; Catlett, A.; Chen, J.; Zhao, Y. Chem.Phys. Lett. 2010, 485, 171. doi: 10.1016/j.cplett.2009.12.041(12) Smith,W.; Mao, S.; Lu, G.; Catlett, A.; Chen, J.; Zhao, Y. Chem.Phys. Lett. 2010, 485, 171. doi: 10.1016/j.cplett.2009.12.041

    13. [13]

      (13) Li, H. H.; Chen, R. F.; Ma, Z.; Zhang, S. L.; An, Z. F.; Huang,W. Acta Phys. -Chim. Sin. 2011, 27, 1017. [李欢欢, 陈润锋,马琮, 张胜兰, 安众福, 黄维. 物理化学学报, 2011, 27,1017.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20110514(13) Li, H. H.; Chen, R. F.; Ma, Z.; Zhang, S. L.; An, Z. F.; Huang,W. Acta Phys. -Chim. Sin. 2011, 27, 1017. [李欢欢, 陈润锋,马琮, 张胜兰, 安众福, 黄维. 物理化学学报, 2011, 27,1017.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20110514

    14. [14]

      (14) Feng, X.; Zhai, J.; Jiang, L. Angew. Chem. Int. Edit. 2005, 44,5115.(14) Feng, X.; Zhai, J.; Jiang, L. Angew. Chem. Int. Edit. 2005, 44,5115.

    15. [15]

      (15) Feng, X.; Shankar, K.; Varghese, O. K.; Paulose, M.; Latempa,T. J.; Grimes, C. A. Nano Lett. 2008, 8, 3781. doi: 10.1021/nl802096a(15) Feng, X.; Shankar, K.; Varghese, O. K.; Paulose, M.; Latempa,T. J.; Grimes, C. A. Nano Lett. 2008, 8, 3781. doi: 10.1021/nl802096a

    16. [16]

      (16) Li, Y.; Guo, M.; Zhang, M.;Wang, X. Materials ResearchBulletin 2009, 44, 1232. doi: 10.1016/j.materresbull.2009.01.009(16) Li, Y.; Guo, M.; Zhang, M.;Wang, X. Materials ResearchBulletin 2009, 44, 1232. doi: 10.1016/j.materresbull.2009.01.009

    17. [17]

      (17) Liu, B.; Aydil, E. S. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 3985. doi: 10.1021/ja8078972(17) Liu, B.; Aydil, E. S. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 3985. doi: 10.1021/ja8078972

    18. [18]

      (18) Vernardou, D.; Kalogerakis, G.; Stratakis, E.; Kenanakis, G.;Koudoumas, E.; Katsarakis, N. Solid State Science 2009, 11,1499. doi: 10.1016/j.solidstatesciences.2009.05.014(18) Vernardou, D.; Kalogerakis, G.; Stratakis, E.; Kenanakis, G.;Koudoumas, E.; Katsarakis, N. Solid State Science 2009, 11,1499. doi: 10.1016/j.solidstatesciences.2009.05.014

    19. [19]

      (19) Kumar, A.; Madaria, A. R.; Zhou, C. J. Phys. Chem. C 2010,114, 7787. doi: 10.1021/jp100491h(19) Kumar, A.; Madaria, A. R.; Zhou, C. J. Phys. Chem. C 2010,114, 7787. doi: 10.1021/jp100491h

    20. [20]

      (20) Zeng, Q.;Wu, L.; Zhang, Y.; Qi, B.; Zhi, J. Scripta Materialia2010, 62, 810. doi: 10.1016/j.scriptamat.2010.01.054(20) Zeng, Q.;Wu, L.; Zhang, Y.; Qi, B.; Zhi, J. Scripta Materialia2010, 62, 810. doi: 10.1016/j.scriptamat.2010.01.054

    21. [21]

      (21) Peng, X.; Chen, A. Adv. Funct. Mater. 2006, 16, 1355.(21) Peng, X.; Chen, A. Adv. Funct. Mater. 2006, 16, 1355.

    22. [22]

      (22) Kitano, M.; Mitsui, R.; Eddy, D. R.; El-Bahy, Z. M. A.;Matsuoka, M.; Ueshima, M.; Anpo, M. Catal. Lett. 2007, 119,217. doi: 10.1007/s10562-007-9243-1(22) Kitano, M.; Mitsui, R.; Eddy, D. R.; El-Bahy, Z. M. A.;Matsuoka, M.; Ueshima, M.; Anpo, M. Catal. Lett. 2007, 119,217. doi: 10.1007/s10562-007-9243-1

    23. [23]

      (23) Boercker, J. E.; Enache-Pommer, E.; Aydil, E. S.Nanotechnology 2008, 19, 095604. doi: 10.1088/0957-4484/19/9/095604(23) Boercker, J. E.; Enache-Pommer, E.; Aydil, E. S.Nanotechnology 2008, 19, 095604. doi: 10.1088/0957-4484/19/9/095604

    24. [24]

      (24) Dong, X.; Tao, J.; Li, Y. Y.;Wang, T.; Zhu, H. Acta Phys. -Chim.Sin. 2009, 25, 1874. [董祥, 陶杰, 李莹滢, 汪涛,朱宏. 物理化学学报, 2009, 25, 1874.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20090913(24) Dong, X.; Tao, J.; Li, Y. Y.;Wang, T.; Zhu, H. Acta Phys. -Chim.Sin. 2009, 25, 1874. [董祥, 陶杰, 李莹滢, 汪涛,朱宏. 物理化学学报, 2009, 25, 1874.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20090913

    25. [25]

      (25) Chi, B.; Victorio, E. S.; Jin, T. J. Nanosci. Nanotechnol. 2007, 7,668. doi: 10.1166/jnn.2007.147(25) Chi, B.; Victorio, E. S.; Jin, T. J. Nanosci. Nanotechnol. 2007, 7,668. doi: 10.1166/jnn.2007.147

    26. [26]

      (26) Guo, Y.; Lee, N.; Oh, H.; Yoon, C.; Park, K.; Lee, H.; Lee, K.;Kim, S. Nanotechnology 2007, 18, 295608. doi: 10.1088/0957-4484/18/29/295608(26) Guo, Y.; Lee, N.; Oh, H.; Yoon, C.; Park, K.; Lee, H.; Lee, K.;Kim, S. Nanotechnology 2007, 18, 295608. doi: 10.1088/0957-4484/18/29/295608

    27. [27]

      (27) Liu, B.; Boercker, J. E.; Aydil, E. S. Nanotechnology 2008, 19,505604. doi: 10.1088/0957-4484/19/50/505604(27) Liu, B.; Boercker, J. E.; Aydil, E. S. Nanotechnology 2008, 19,505604. doi: 10.1088/0957-4484/19/50/505604

    28. [28]

      (28) Liao, J.; Lei, B.; Chen, H.; Kuang, D.; Su, C. Energy Environ.Sci. 2012, 5, 5750. doi: 10.1039/c1ee02766b(28) Liao, J.; Lei, B.; Chen, H.; Kuang, D.; Su, C. Energy Environ.Sci. 2012, 5, 5750. doi: 10.1039/c1ee02766b

    29. [29]

      (29) Kang, M. G.; Park, N.; Ryu, K. S.; Chang, S. H.; Kim, K. Sol.Energy Mater. Sol. Cells 2006, 90, 574. doi: 10.1016/j.solmat.2005.04.025(29) Kang, M. G.; Park, N.; Ryu, K. S.; Chang, S. H.; Kim, K. Sol.Energy Mater. Sol. Cells 2006, 90, 574. doi: 10.1016/j.solmat.2005.04.025

    30. [30]

      (30) Kang, H.; Lee, C.; Kim, D.; Kim, J.; Choi,W.; Kim, H. AppliedCatalysis B: Environmental 2011, 104, 6. doi: 10.1016/j.apcatb.2011.03.010(30) Kang, H.; Lee, C.; Kim, D.; Kim, J.; Choi,W.; Kim, H. AppliedCatalysis B: Environmental 2011, 104, 6. doi: 10.1016/j.apcatb.2011.03.010

    31. [31]

      (31) Vijayakumar, V.; Pasquier, A. D.; Birnie, D. P., III. Sol. EnergyMater. Sol. Cells 2011, 95, 2120. doi: 10.1016/j.solmat.2011.03.010(31) Vijayakumar, V.; Pasquier, A. D.; Birnie, D. P., III. Sol. EnergyMater. Sol. Cells 2011, 95, 2120. doi: 10.1016/j.solmat.2011.03.010

    32. [32]

      (32) Wu, T.; Tao, J.; Deng, J.; Tang, Y. X.; Zhu, H.; Gao, P. ActaPhys. -Chim. Sin. 2010, 26, 3087. [吴涛, 陶杰, 邓杰,汤育欣, 朱宏, 高鹏. 物理化学学报, 2010, 26, 3087.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20101103(32) Wu, T.; Tao, J.; Deng, J.; Tang, Y. X.; Zhu, H.; Gao, P. ActaPhys. -Chim. Sin. 2010, 26, 3087. [吴涛, 陶杰, 邓杰,汤育欣, 朱宏, 高鹏. 物理化学学报, 2010, 26, 3087.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20101103

    33. [33]

      (33) Yang, J.; Jin, Z.;Wang, X.; Li,W.; Zhang, J.; Zhang, S.; Guo,X.; Zhang, Z. Dalton Trans. 2003, 3898.(33) Yang, J.; Jin, Z.;Wang, X.; Li,W.; Zhang, J.; Zhang, S.; Guo,X.; Zhang, Z. Dalton Trans. 2003, 3898.

    34. [34]

      (34) Zhang, M.; Jin, Z.; Zhang, J.; Guo, X.; Yang, J.; Li,W.;Wang,X.; Zhang, Z. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical2004, 217, 203. doi: 10.1016/j.molcata.2004.03.032(34) Zhang, M.; Jin, Z.; Zhang, J.; Guo, X.; Yang, J.; Li,W.;Wang,X.; Zhang, Z. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical2004, 217, 203. doi: 10.1016/j.molcata.2004.03.032

    35. [35]

      (35) Xing, C.; Jing, D.; Liu, M.; Guo, L. Materials Research Bulletin2009, 44, 442. doi: 10.1016/j.materresbull.2008.04.016(35) Xing, C.; Jing, D.; Liu, M.; Guo, L. Materials Research Bulletin2009, 44, 442. doi: 10.1016/j.materresbull.2008.04.016

    36. [36]

      (36) Xie, T. S.; Du, H.; Meng, X. M.; Sun, C.;Wen, L. S. ActaMetallurgica Sinica 2001, 37, 113. [谢天生, 杜昊, 孟祥敏,孙超, 闻立时. 金属学报, 2001, 37, 113.](36) Xie, T. S.; Du, H.; Meng, X. M.; Sun, C.;Wen, L. S. ActaMetallurgica Sinica 2001, 37, 113. [谢天生, 杜昊, 孟祥敏,孙超, 闻立时. 金属学报, 2001, 37, 113.]

    37. [37]

      (37) Wang, K. M.; Zhang, C. S.; Li, M.; Zhou, Y.;Wang, Y. Q.;Wang, X.; Peng, Y. C.; Liu, B. T. Journal of Synthetic Crystals2010, 39, 135. [王宽冒, 张沧生, 李曼, 周阳, 王玉强,王侠, 彭英才, 刘保亭. 人工晶体学报, 2010, 39, 135.](37) Wang, K. M.; Zhang, C. S.; Li, M.; Zhou, Y.;Wang, Y. Q.;Wang, X.; Peng, Y. C.; Liu, B. T. Journal of Synthetic Crystals2010, 39, 135. [王宽冒, 张沧生, 李曼, 周阳, 王玉强,王侠, 彭英才, 刘保亭. 人工晶体学报, 2010, 39, 135.]

    38. [38]

      (38) Zhu, K.; Vinzant, T. B.; Neale, N. R.; Frank, A. J. Nano Lett.2007, 7, 3739. doi: 10.1021/nl072145a(38) Zhu, K.; Vinzant, T. B.; Neale, N. R.; Frank, A. J. Nano Lett.2007, 7, 3739. doi: 10.1021/nl072145a

    39. [39]

      (39) Zhuo, Y.;Wu, C.; Han, S.; Chi, B.; Pu, J.; Jin, T.; Jian, L.J. Nanosci. Nanotechnol. 2011, 11, 2298. doi: 10.1166/jnn.2011.3573(39) Zhuo, Y.;Wu, C.; Han, S.; Chi, B.; Pu, J.; Jin, T.; Jian, L.J. Nanosci. Nanotechnol. 2011, 11, 2298. doi: 10.1166/jnn.2011.3573

    40. [40]

      (40) Wu, D.; Liu, J.; Zhao, X.; Li, A.; Chen, Y.; Ming, N. Chem.Mater. 2006, 18, 547. doi: 10.1021/cm0519075(40) Wu, D.; Liu, J.; Zhao, X.; Li, A.; Chen, Y.; Ming, N. Chem.Mater. 2006, 18, 547. doi: 10.1021/cm0519075

    41. [41]

      (41) Huang, J.; Cao, Y.; Huang, Q.; He, H.; Liu, Y.; Guo,W.; Hong,M. Crystal Growth & Design 2009, 9, 3632. doi: 10.1021/cg900381h(41) Huang, J.; Cao, Y.; Huang, Q.; He, H.; Liu, Y.; Guo,W.; Hong,M. Crystal Growth & Design 2009, 9, 3632. doi: 10.1021/cg900381h

    42. [42]

      (42) Wang,W.; Lin, H.; Li, J.;Wang, N. J. Am. Ceram. Soc. 2008,91, 628. doi: 10.1111/jace.2008.91.issue-2

      (42) Wang,W.; Lin, H.; Li, J.;Wang, N. J. Am. Ceram. Soc. 2008,91, 628. doi: 10.1111/jace.2008.91.issue-2

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  1090
  • 文章访问数:  1724
  • HTML全文浏览量:  94
文章相关
  • 发布日期:  2013-03-25
  • 收稿日期:  2012-09-03
  • 网络出版日期:  2013-02-04
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章