TiO2纳米管/棒阵列及其复合物薄膜的光催化/光电性能研究

摘要

半导体异相光催化和敏化系光伏电池是近年来发展起来的众多技术中解决能源环境问题的有效途径。如何构筑高性能材料是异相光催化和敏化系太阳能电池技术的核心。其中，TiO2作为关键材料一直伴随着这两种技术的发展。迄今，人们已制备出各种TiO2材料，相对于其他结构的TiO2材料来说，拥有一维有序结构的TiO2管/棒阵列材料，由于其轴向电子传输速率快，已经成为了光催化和敏化系太阳能电池的首选材料之一。详细研究这些材料的结构和改性方法，进一步提高它们的光电化学性能显得尤为必要。本文以TiO2纳米管/棒阵列及其复合薄膜为研究对象，对它们在量子点敏化太阳能电池和半导体异相光催化中的应用做了详细研究，并探讨了掺杂和表面改性等方法对材料光电性能的影响机制。
　　1.在系统研究制备工艺条件对TiO2纳米管阵列形成和结构形貌影响的基础上，采用二次阳极氧化法成功制备出双层TiO2纳米管阵列，比较了不同纳米管阵列的光催化性能。结果表明在不同电解液中制备的TiO2纳米管光催化效率与纳米管长度没有直接联系。
　　2.通过先热处理晶化，再进行二次高电压阳极氧化制备了无支撑贯通的内锥形锐钛矿TiO2纳米管阵列，这种阵列结构有利于载流子传输和敏化剂在其内表面的吸附。利用此TiO2纳米管阵列和Pt对电极制备了CdS量子点敏化太阳能电池，电池的效率达到1.19％。研究表明TiO2纳米管阵列大口朝上有利于敏化剂的负载，可减少敏化剂在管口的堆积，提高电子由CdS向纳米管阵列的注入速度。进一步以碳对电极替换Pt对电极，利用其多孔结构和对电解液的催化作用，提高了电池的开路电压和填充因子，使电池效率提高至1.32％。
　　3.采用水热法成功合成了Sn掺杂TiO2纳米棒阵列，研究Sn掺杂对一维有序TiO2纳米棒阵列的生长过程、结构形貌和光电性能的影响。Sn4+与Ti4+具有相同价态，而电负性不同，因此Sn在TiO2中可形成等电子掺杂，对其光电性能产生影响；Sn4+替位Ti4+使晶包在c轴方向上有明显增长趋势；掺Sn后材料的光电响应性能下降，可能是由于Sn掺杂在TiO2禁带中形成了低态密度的光生电子-空穴复合中心。
　　4.将TiO2纳米棒阵列与Au纳米颗粒/棒进行复合，系统研究了复合前后材料光电化学性能的变化。在紫外光照射下，TiO2导带中电子部分迁移至Au颗粒上，有效降低载流子复合几率；在可见光照射下，Au的等离子体激发态电子注入TiO2纳米棒阵列电极，使其具有可见光光催化活性。通过循环伏安法测试证明了在Au颗粒和TiO2纳米棒阵列之间存在电荷迁移，并探讨电荷迁移机制。光电流表征的为经外电路流出电极的电子，不等同于参与光催化反应的光电子数量，不能直接用于表示样品光催化活性能。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章绪论

1.1引言

1.2 TiO2光催化

1.3 TiO2基敏化系太阳能电池

1.4 TiO2纳米管阵列

1.5 TiO2纳米棒阵列

1.6本论文的研究意义和主要内容

第2章两步法制备多层TiO2纳米管阵列及其光催化性能的研究

2.1引言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4本章小结

第3章无支撑、两端开口TiO2纳米管阵列的制备及其在CdS敏化太阳能电池中的应用

3.1引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4本章小结

第4章水热法制备Sn掺杂金红石TiO2纳米棒阵列及光电性能研究

4.1引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.5本章小结

第5章 Au负载TiO2纳米棒阵列薄膜的制备及其光电性能的研究

5.1引言

5.2实验部分

5.3结果与讨论

5.4 Au纳米粒子在TiO2纳米棒阵列表面的作用分析

5.5本章小结

第6章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

致谢

参考文献

博士期间发表的论文