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新型納米材料——納米級半導體二氧化鈦簡介
2015年03月09日 發布 分類:粉體應用技術 點擊量:4146
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      一、TiO2半導體納米材料的特性 

二氧化鈦晶體結構之一(紅金石)


      1、光學特性 


      TiO2半導體納米粒子(1~ 100 nm ) 由于存在著顯著的量子尺寸效應, 因此它們的光物理和光化學性質迅速成為目前最活躍的研究領域之一。其中TiO2半導體納米粒子所具有的超快速的光學非線性響應及(室溫) 光致發光等特性倍受世人矚目。


      2、光電催化特性


      TiO2半導體納米粒子優異的光電催化活性  近年來,對納米TiO2半導體粒子研究表明: 納米粒子的光催化活性均明顯優于相應的體相材料,這主要由以下原因所致:

 
       A、TiO2半導體納米粒子所具有的量子尺寸效應使其導帶和價帶能級變成分立的能級, 能隙變寬, 導帶電位變得更負,而價帶電位變得更正。這意味著TiO2半導體納米粒子獲得了更強的還原及氧化能力,從而催化活性隨尺寸量子化程度的提高而提高。


      B、對于TiO2半導體納米粒子而言,其粒徑通常小于空間電荷層的厚度。在此情況下, 空間電荷層的任何影響都可忽略, 光生載流子可通過簡單的擴散從粒子內部遷移到粒子表面而與電子給體或受體發生還原或氧化反應。因此粒徑越小, 電子與空穴復合幾率越小, 電荷分離效果越好,從而導致催化活性的提高。


       C、TiO2半導體納米粒子奇特的選擇性。業內專家曾對鉑化的T iO 2 粒子光催化丙炔與水蒸氣的反應進行了研究,結果表明: 反應產物為甲烷、乙烷和丙烷,反應的選擇性(定義為丙烷與乙烷的摩爾比) 隨著粒徑的減小而降低, 當粒子尺寸由200nm 降為5. 5nm 時, 反應的選擇性降低了10 倍。 


      3、光電轉換特性 


       近年來, 由于TiO2半導體納米粒子構成的多孔大比表面PEC 電池具有優異的光電轉換特性而倍受矚目。在模擬太陽光源照射下, 其光電轉換效率可達12% , 光電流密度大于12mA ·cm - 2。這是由于納米TiO2 多孔電極表面吸附的染料分子數比普通電極表面所能吸附的染料分子數多50 倍以上, 而且幾乎每個染料分子都與TiO2 分子直接接觸, 光生載荷子的界面電子轉移很快, 因而具有優異的光吸收及光電轉換特性。 


      4、TiO2半導體納米粒子電學特性 


      介電壓電特性是材料的基本物性之一。TiO2半導體納米材料的介電行為(介電常數、介電損耗) 及壓電特性同常規的半導體材料有很大不同, 概括起來主要有以下幾點: 


      A、TiO2半導體納米材料的介電常數隨測量頻率的減小呈明顯上升趨勢, 而相應的常規半導體材料的介電常數較低, 在低頻范圍內上升趨勢遠低于TiO2半導體納米材料。

 
      B、在低頻范圍, TiO2半導體納米材料的介電常數呈現尺寸效應, 即粒徑很小時, 其介電常數較低, 隨粒徑增大, 介電常數先增加然后有所下降, 在某一臨界尺寸呈現極大值。


       二、TiO2半導體納米材料的制備方法


      1、激光燒蝕法  目前,在眾多納米粉末制備方法中,以激光為熱源的制備工藝因可獲得純度高、粒徑小、分布范圍窄的超細粉末而占有特殊重要的地位。  激光燒蝕法(簡稱為PLA) 制備納米顆粒是利用脈沖激光束將靶材在瞬間(< 10ms)加熱到氣化溫度以上,產生由靶材原子、離子和原子簇組成的蒸氣羽(plumes) ,后者在飛行過程中與環境氣體原子碰撞減速,并彼此相互碰撞,并形核生長形成納米顆粒。

 
      2、熔鹽法  熔鹽法是一種制備無機粉體材料的新方法,具有合成溫度低、反應時間短、工藝簡單、合成產物純度高、粉體顆粒的晶型與形貌可控以及環境污染小等特點,顯示出在合成無機非金屬材料粉體方面的潛在優勢。  該方法首先利用一步室溫固相化學反應通過簡單的研磨合成出前驅物納米粒子;然后加入表面活性劑聚氧乙烯9醚(NP-9)和助熔劑(NaCl)再次研磨前驅物后于一定的溫度下熱分解前驅物而制備氧化物納米線。該方法成功地制備出TiO2氧化物納米線。熔鹽法的優點是不需要一定的壓強﹑催化劑﹑激發元,不需要復雜的高溫反應設備及實驗技術。


      三、TiO2半導體納米材料的顆粒表征分析


      1、TiO2半導體納米材料的粒度分析  大部分固體材料均是由各種形狀不同的顆粒構造而成,因此,細微顆粒材料的形狀和大小對材料結構和性能具有重要的影響。尤其對納米材料,其顆粒大小和形狀對材料的性能起著決定性的作用。因此,對納米材料的顆粒大小、形狀的表征和控制具有重要意義。一般固體材料顆粒大小可以用顆粒粒度概念來表述。  由于粉體材料的顆粒大小分布較廣,可從納米級到毫米級,因此在描述材料粒度大小時,可以把顆粒按大小分為納米顆粒、超細微粒、微粒、細粒、粗粒等種類。近年來,隨著納米科學和技術的迅猛發展,納米材料的顆粒分布以及顆粒大小已經成為納米材料表征的重要指標之一,其研究的粒度分布范圍主要在1~500nm之間,尤其是1~20nm之間的粒度,是納米材料研究最關注的尺寸范圍。


      2、TiO2半導體納米材料的形貌分析  材料的形貌尤其是納米材料的形貌是材料分析的重要組成部分,材料的很多物理化學性能是由其形貌特征所決定的。對于納米材料,其性能不僅與材料顆粒大小還與材料的形貌有重要關系。因此,納米材料的形貌分析是納米材料的重要研究內容。形貌分析主要內容是,分析材料的幾何形貌、材料的顆粒度、顆粒的分布以及形貌微區的成分和物相結構等方面。  納米材料常用的形貌分析方法主要有掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、掃描隧道顯微鏡(STM)、原子力顯微鏡(AFM)法。


      3、TiO2半導體納米材料的成分分析  納米材料的光、電、聲、熱、磁等物理性能與組成納米材料的化學成分和結構具有密切關系。因此,確定納米材料的元素組成,測定納米材料中雜質的種類和濃度,是納米材料分析的重要內容之一。  納米材料成分分析可分為微量樣品分析和痕量成分分析兩種類型。微量樣品分析是就取樣量而言的。痕量成分分析則是就待測成分在納米材料中的含量而言的。由于雜質或摻雜的成分含量很低,低到百萬分之~甚至更低的濃度范圍,因此,稱這類分析為痕量成分分析。納米材料的成分分析方法按照分析的目的不同又分為體相元素成分分析、表面成分分析和微區成分分析等方法。

 
      小結:TiO2半導體納米微粒是在納米尺度上原子和分子的集合體,這個非宏觀、非微觀的中間層次出現許多新問題。 例如電子的平均自由程比傳統固體短,周期性被破壞,過去建立在平移周期上描述電子的布洛赫波已不適用。建立在亞微米范圍的半導體p 2n 結理論對于小于10 nm 的微粒已經失效。對納米尺度上電子行為的描述必須引入新的理論,這也將促進介觀物理、量子物理和混沌物理的發展。目前發展新型TiO2半導體納米復合材料是該領域的熱點。TiO2半導體納米材料的一系列新奇特性使它成為納米材料科學的一個前沿領域, 相信一定會有更新的突破。

(粉體圈 作者:敬之)

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