TiO2管状微纳结构光催化特性的尺度效应研究

利用独特的结构设计提升TiO2光催化特性具有重要的科学和实践意义。本项目拟综合运用电化学阳极氧化方法和基于有机聚合物牺牲层的卷曲纳米技术，制备直径在几十纳米至几十微米范围内可控的TiO2管状微纳结构，并以提高管状结构的光催化效率为目的，研究光催化特性与管状结构尺度的对应关系。本项目将首先深入研究TiO2自身的光学性质，并在此基础上得到具有较高品质因子的管状光学谐振腔。我们将借助时域有限差分法等理论模拟方法指导实验设计，实现光学谐振腔特性的调控和优化，将光能集中在特定波长，进而实现光催化效率的提升。研究工作中，通过对超宽尺度范围内TiO2管状结构光催化特性尺度效应的研究，我们将探索采用提高表面积体积比率和光学谐振两种手段来提高光催化效率，并寻求两者之间的最佳平衡点，得到具有最佳光催化效率的TiO2管状微纳结构。本项目的研究成果在光学传感器，环境治理及生物医学等领域具有广泛的应用前景。

TiO2具有优良的光催化性能，可以用于光解水制氢和污染物分解，因而在新能源和环境治理等领域具有重要的应用前景。为了提高TiO2光催化特性，我们考虑利用TiO2微纳结构来提升光与材料料的相互作用，这具有重要的科学和实践意义。本项目组在三年的研究工作中，运用电化学阳极氧化方法和基于有机聚合物牺牲层的卷曲纳米技术，成功制备了直径在几十纳米至几十微米范围内可控的TiO2管状微纳结构，并深入研究了实验条件对微纳管状结构几何尺寸的控制作用。利用该管状微纳结构，我们获得了具有光学谐振效应的光学微腔。借助时域有限差分法和Mie散射理论等理论模拟方法指导实验设计，我们成功实现了光学谐振的调控和优化，将光能集中在特定波长。研究表明，光学谐振能量受到管状谐振腔的材料折射率、壁厚、管径、甚至表面吸附分子等的影响。此外，在管状结构中，除了在环形截面可以形成光学谐振，在纵向也可以形成光干涉，意味着管状结构对光能量传播构成三维限制。在TiO2的光催化性能提升方面，除利用光学谐振外，实验上我们也证明晶体结构和表面积有非常明显的影响作用。将TiO2纳米管在含有水蒸气的气氛中退火处理，可以在较低温度度下得到TiO2结晶，光催化性能相应提高。对TiO2发光谱和成分分析表明，阳极氧化得到的TiO2中存在大量氧空位缺陷，对其光催化性能也有提升作用。本项目的研究成果在光学传感器，环境治理及生物医学等领域具有广泛的应用前景。