静电纺丝-碱热法制备高活性由纳米片组装的TiO2纳米纤维

半导体光催化有望解决日益严峻的环境污染与能源危机, 因而得到广泛重视. 纳米TiO2因为其强的氧化能力和良好的(光)化学稳定性与生物相容性, 成为了最受欢迎的半导体光催化材料. 到目前为止, 材料科学家们制备了多种形貌的TiO2光催化材料, 如纳米棒(线)、纳米片和空心微球等. 作为染料太阳能电池的光阳极材料, 小颗粒尺寸的纳米TiO2具有大的比表面积, 有利于敏化剂的吸附, 从而增强太阳能电池的光电转换性能. 但是尺寸太小的TiO2颗粒不利于光散射, 导致入射的太阳光直接穿透光阳极薄膜而不利于吸收和利用太阳光. 为了解决敏化剂吸附和增强光散射这对矛盾, 本文设计制备了由纳米片组装的TiO2纳米纤维: (1)首先通过静电纺丝法制备TiO2纳米纤维前躯体; (2)将TiO2纳米纤维前驱体在500 °C焙烧, 去除有机物, 得到晶化度良好的由纳米颗粒组装的TiO2纳米纤维; (3)将TiO2纳米纤维进行NaOH碱热处理, 使TiO2纳米颗粒转化成钛酸盐纳米片, 然后经历酸洗和焙烧, 得到由纳米片组装的TiO2纳米纤维. 染料敏化太阳能电池的性能测试结果显示, 碱热2.5 h所得TiO2样品的光阳极薄膜的光电转化效率提升了2.3倍; 同时, 利用丙酮光催化分解的活性来评价纳米纤维的光催化活性, 发现碱热2.5 h所得纳米纤维上光催化降解丙酮的活性提升了3.1倍. 结构表征结果显示, 随着碱热时间的延长, 从纤维表面生长出来的纳米片逐渐变长, 催化剂的比表面积和孔容不断增加. 大的比表面积有利于底物的吸附, 纳米片结构有利于增强光散射, 通过延长光程增强对光的利用效率, 从而提升纳米纤维的光活性. 光电流测试的结果显示, 与碱热前的TiO2纳米纤维相比, 碱热后的TiO2纳米纤维光电流显著增强, 这是由于纳米片结构减小了扩散距离, 有利于光生载流子快速转移到催化剂表面, 引发丙酮的光催化氧化.