Ti3O5纳米线的自诱导制备及性能研究

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Ti3O5具有相变可逆性、光催化性、氧敏性等一系列特性,且阻-温稳定性好,无毒无害,属环境友好型材料。随着纳米科技的不断发展,Ti3O5纳米材料的研究掀起了热潮。良好的光存储、光催化性能使其备受关注。本学位论文采用了常压化学气相沉积法,对Ti3O5纳米线的自诱导制备工艺及其光催化性能进行了研究。实验分别考察温度、时间、O2流量等条件对Ti3O5纳米线晶型、晶相生长及光催化性能方面的影响。并研究了降温过程中纳米线的生长状况。研究表明:(1)采用自诱导氧化法在Ti5Si3粉末上成功地制备了单斜晶系的Ti3O5纳米线。当温度800oC,反应时间90min,O2流量为20sccm时,有大量表面光滑直立的纳米线生成。纳米线长约500nm,直径约20-40nm。自诱导的生长机制是:在Ti5Si3表面Ti-O成核后形成的原空位成为诱因,促使Ti3O5结晶形成,随着O2的不断补充,Ti3O5纳米线由顶端向下生长。反应过程经热力学分析,吉布斯自由能小,反应可行。(2)Ti3O5纳米线的生长受反应温度、反应时间和O2流量的影响。随着反应温度的增加,Ti3O5晶相生长速率逐步升高,而成核速率会先升高后降低,最佳的生长温度为800oC;反应时间过短则氧化反应的进行不足,过长会因Ti元素的消耗而无法促进纳米线的生长,最佳的生长时间约为90min;O2流量是Ti3O5纳米线制备过程的重要影响因素之一。流量较小不利于反应;流量过大,则纳米线的各向异性缩小,纳米线会聚集成团,难以辨认,最佳的O2流量约为20sccm。(3)在降温过程中设置再恒温段,因为温度较低、反应物不足等原因,这个阶段纳米线的生长速度较慢。新长出的线直径较小,约为15-20nm,使得整个纳米线呈现顶端粗-底端细的形貌特征。(4)Ti3O5纳米线半径小、比表面积很大,不仅降低了电子-空穴对的复合几率,还易于被被降解物质吸附,提高了Ti3O5的光催化活性。在最佳工艺条件下制备的纳米线的光催化性能最佳,当降解时间为180min时,Ti3O5纳米线对亚甲基蓝的降解率达到62%。
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