高效纳米线光催化剂

高效纳米线光催化剂

TiO2@ZnO n-p-n异质结

陈晓旭，唐群委*

（中国海洋大学材料科学与工程研究院，山东青岛266100）

摘要：通过水热法成功合成直径为30nm、具有核壳纳米结构的TiO2@ZnO n-p-n异质结纳米棒。经证实，其光催化降解甲基橙的速率是纤维锌矿六方晶系ZnO的三倍。锐钛矿TiO2和Ti2O3沿着ZnO的晶格生长，在TiO2和ZnO的界面形成了p型Zn2+掺杂的Ti2O3，为此，由于Ti3+被Zn2+替换，形成了大量的n-p-n异质结。在内电场的驱动下，光生电子都从ZnO和TiO2的导带注入到Zn2+掺杂的Ti2O3的导带中，为此有效地提高了光生电子-空穴对的分离，并加速了电荷的传输。结果表明，TiO2@ZnO n-p-n异质结纳米线在提高光催化剂的光催化活性方面具有很好的前景。

关键词：TiO2@ZnO n-p-n异质结纳米线；Zn2+掺杂的Ti2O3；光催化降解MO

A highly efficient TiO2@ZnO n-p-n heterojunction nanorod photocatalyst

CHEN Xiaoxu,TANG Qunwei

(Institute of Materials Science and Engineering,Ocean University of China,

Qingdao266100,Shandong Province,P.R.China;)

Abstract:Shell@core-nanostructured TiO2@ZnO n-p-n heterojunction nanorods with diameter of30nm were successfully fabricated via a hydrothermal method.The photodegradation rate of the TiO2@ZnO n-p-n nanorods evaluated by photodegrading methyl orange has been demonstrated to increase three times compared to that of wurtzite hexagonal ZnO.Anatase TiO2and Ti2O3grow along ZnO crystal lattices,which forms p-type Zn2+doped Ti2O3in the interface of TiO2/ZnO and therefore numerous n-p-n heterojunctions owing to the substitute of Ti3+by Zn2+.Under the drive of inner electric field,the photogenerated electrons are both injected to the conduction band of Zn2+doped Ti2O3from conduction bands of ZnO and TiO2,which efficiently enhances the separation of photogenerated electron-hole pairs and accelerates the transport of charges.The results suggest that TiO2@ZnO n-p-n heterojunction nanorods are very promising for enhancing the photocatalytic activity of photocatalysts.

Keywords:TiO2@ZnO n-p-n heterojunction nanorod;Zn2+doped Ti2O3;the photodegradation of MO

1、引言

核壳结构的一维(1D)半导体纳米结构一直是当前纳米科学和纳米技术的核心，并且在环境和能源应用领域已经激起了越来越大的兴趣。在众多的一维半导体材料中，具有3.37eV的宽带隙和60meV激子结合能的ZnO作为光催化剂、太阳能电池和可充电锂离子电池中的电极已经被广泛研究。然而，普遍使用的光催化剂和光生伏打器件中存在的挑战是，在氧化锌纳米棒表面，光生电子-空穴对的快速复合，导致了低的量子效率。并且，ZnO纳米棒的光谱吸收范围较窄，这成为了其广泛使用的另一个限制。为了解决这些问题，通过掺杂和沉积的方法，广泛地引入了贵金属纳米粒子来修饰ZnO，来提高光生电荷的分离。在众多的半导体组合当中，ZnO和TiO2的集成，由于其形成了p-n异质结而被认为是最有前途的候选之一。

在这项研究中，水热法合成TiO2作为外壳，Zn2+掺杂的Ti2O3作为中间层，ZnO作为内核的核壳纳米结构的TiO2@ZnO n-p-n异质结纳米棒，旨在显著提高ZnO纳米棒的光催化活性。通过扫描电镜、透射电子显微镜、X射线衍射分析、拉曼光谱，紫外可见分光光度计和X射线光电子能谱来表征其形态，晶体结构和光学性质。在紫外光照射下，通过光降解甲基橙来表征TiO2@ZnO n-p-n异质结纳米棒的光催化性质。

2、实验

2.1实验原材料

本实验中用到所有原材料均为分析纯级，从Sigma-Aldrich Co.LLC购买。醋酸锌和钛酸四丁酯分别作为ZnO和TiO2的前驱体。TiO2纳米粒子来自平均粒径为30nm的P25粉体（锐钛矿/金红石=3/7）。MO作为目标染料进行光降解实验。

2.2合成TiO2@ZnO n-p-n异质结纳米棒

通过水热法合成TiO2@ZnO n-p-n异质结纳米棒。具体的，0.005-0.02M醋酸锌[Zn(CH3COO)2·2H2O]和0.04M NaOH(OH-和Zn2+的摩尔比为2:1)分别溶解到50ml溶液中。剧烈搅拌条件下，NaOH溶液和随后的乙二胺溶液滴加到醋酸锌乙醇溶液中(pH≈11.8,Zn2+和乙二胺摩尔比为1:2)。磁力搅拌30分钟后，TiO2纳米粒子(P25)(Ti和Zn的摩尔比为1:1)悬浮于100ml的反应物的混合溶液中，并密封在高压釜中，然后在160℃下保温8小时。