氧化物纳米棒阵列的合成、修饰及光电化学性能研究

摘要

光电化学电池是一种同时利用光能和电能把太阳光转化成化学能储存起来的光电化学器件。利用太阳能发电的太阳能电池是解决当前环境和能源问题的重要方法之一。光电化学电池中光阴极的研究与太阳能电池的光阴极类似，并且效率已经很高，目前限制光电化学电池效率的主要因素在于光阳极的效率还比较低。因此，提高光阳极的效率对于提高整个光电化学电池的效率是非常关键的。本文合成了Au纳米颗粒修饰的TiO2、ZnO/ZnS核壳纳米棒阵列以及 ZnO多级微球，通过等离子金属的表面等离子共振效应提高光阳极对入射光的吸收、提高光生电荷的传输效率，抑制光生电荷复合；通过异质结光阳极中两种半导体的协同作用提高对入射光的吸收、提高光生电荷的分离效率。本论文主要研究内容与结论如下：
　　（1）Au纳米颗粒修饰TiO2纳米棒阵列可以提高光电化学活性。利用FTO作为导电基底，预先在FTO基底上生长TiO2纳米晶作为晶种，然后在装有Ti前驱物的水热反应釜中反应制备TiO2纳米棒阵列。利用原位光还原的方法在TiO2纳米棒阵列表面生长Au纳米颗粒，通过改变辐照时间改变Au纳米颗粒的负载量。实验结果表明:辐照时间是10 min时得到的Au/TiO2光阳极的性能最好，光电流密度与TiO2光阳极相比提高了近1倍。通过电化学阻抗、莫特-肖特基曲线结果分析表明：Au纳米颗粒的表面等离子共振效应有利于提高光阳极对于入射光的吸收、提高光生电荷的传输效率以及提高载流子密度。
　　（2）ZnO/ZnS异质结与ZnO纳米棒阵列相比表现出更好的光电化学活性。利用水热法在FTO基底上生长ZnO纳米棒阵列，ZnO纳米棒具有典型的六方结构，并且具有光滑表面。ZnO纳米棒阵列与硫代乙酰胺反应之后表面变得粗糙，X射线衍射分析ZnO与硫代乙酰胺反应之后出现ZnS的衍射峰，说明形成了ZnO/ZnS核壳结构。线性扫描伏安曲线表明：ZnO/ZnS异质结的光电化学活性优于 ZnO的光电化学活性。电化学阻抗和莫特-肖特基曲线测试表明：形成异质结以后有利于光生电荷的传输，并且提高了载流子密度。
　　（3）利用硝酸锌溶液作为前驱物，通过简单的水溶液方法，在室温下制备了 ZnO多级结构。不同时间的实验结果表明：ZnO多级结构的形成源于奥斯特瓦尔德熟化反应。ZnO多级结构用作染料敏化太阳能电池的光阳极，转换效率达到2.36％，高于商业ZnO基染料敏化太阳能电池1.39%的转换率。通过研究光阳极的光学及电化学性能，发现：ZnO多级结构具有较高的转换效率主要源于多级结构能够增加染料的吸附能力，微米尺寸的结构可以增强散射效应。而且，ZnO多级结构的结晶度好，可以降低晶粒间界，抑制光生载流子复合，提高电子的传输效率。

目录

第一章 绪 论

1.1 前言

1.2半导体材料分解水机理

1.3 TiO2的晶体结构

1.4一维TiO2纳米材料的合成方法趋势

1.5一维TiO2作为光电化学光阳极的研究进展

1.6 选题依据及主要研究内容

第二章 Au修饰TiO2纳米棒阵列合成方法及其光电化学性能研究

2.1 前言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 一维ZnO/ZnS核壳结构纳米棒阵列的合成及光电化学分解水性能研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 染料敏化太阳能电池ZnO多级结构的制备及光电化学性能研究

4.1 前言

4.2 实验部分

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 创新点

5.3 展望

参考文献

致谢

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