基于Ti基底上TiO2纳米管阵列的生长及性能研究

摘要

本文采用阳极氧化法在含有NH4F和H2O的新型乙二醇有机电解液体系中,制备高长径比的TiO2纳米管阵列。这种黏性电解液体系使得氧化电压范围拓宽为15-45V,制得的纳米管管长在几微米左右,管径大小在70-100nm之间,管壁厚在10-15nm之间。而且未经热处理的TiO2纳米管是无定形的,当热处理温度为600℃时,TiO2纳米管阵列主要以金红石型存在。并将其应用于染料敏化太阳能电池(DSSCs)中,通过测试Ⅰ-Ⅴ曲线研究高长径比TiO2纳米管阵列薄膜电极的光电性能。结果表明,随着氧化电压的增大,其制备的纳米管阵列的长径比增大,比表面积也随之增大,导致其短路电流密度(Jsc)和开路电压(Voc)随之增大。当45V氧化电压条件下氧化10h后,TiO2纳米管阵列薄膜电极的Jsc和Voc分别为4.9mA/cm2和0.47v,且FF达到0.59,光电转换效率η达1.36％。以NH4NO3为氮的掺杂源,对TiO2纳米管进行了掺杂改性研究。在0.07M HF和不同浓度NH4NO3的电解液体系中采用一步阳极氧化法制备N掺杂TiO2纳米管阵列薄膜。结果表明:N元素可成功的掺杂到TiO2纳米管中;当热处理温度为500℃时,N掺杂TiO2样品以锐钛矿型存在;掺杂N时氧化电压在15V-20V之间,氧化时间在2h-4h之间较为合适,在该条件下制备的TiO2纳米管阵列形貌优良;相比于未掺杂TiO2样品,N掺杂TiO2样品发生了红移,在可见光范围内光吸收强度增强。同时,以甲基橙溶液为目标降解物,氙灯为光源,研究N掺杂TiO2样品对甲基橙的光催化活性。结果表明:在可见光照射下对甲基橙进行光催化反应150min后,N掺杂TiO2样品的光催化性能均好于未掺杂TiO2样品的,且当在含有1.0M NH4NO3的0.07M HF电解液体系中制备的N掺杂TiO2样品对甲基橙的降解率高达81％。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 纳米TiO2的性质及应用研究进展

1.2.1 纳米TiO2的性质

1.2.2 TiO2纳米管的制备

1.2.3 TiO2纳米管的应用研究概述

1.3 TiO2纳米阵列生长机理

1.4 纳米TiO2掺杂改性研究进展

1.4.1 过渡金属离子掺杂

1.4.2 阴离子的掺杂

1.4.3 稀土元素离子掺杂

1.5 本工作的研究内容和意义

第二章 实验技术与仪器

2.1 试剂与仪器

2.1.1 试验试剂

2.2.2 实验仪器

2.2 TiO2纳米管阵列薄膜的制备

2.2.1 实验装置

2.2.2 试验过程

2.3 样品的表征

2.4 样品的性能测试

2.4.1 光电测试

第三章 高长径比TiO2纳米管阵列的制备与表征

3.1 引言

3.2 高长径比TiO2纳米管阵列的制备与表征

3.2.1 有机电解液体系中TiO2纳米管阵列的制备

3.2.2 样品的表征

3.3 本章小结

第四章 高长径比的TiO2纳米管阵列薄膜的光电性能

4.1 引言

4.2 染料敏化电池的结构和工作原理

4.3 染料敏化太阳能电池的性能参数

4.3.1 染料敏化太阳能电池的输出特性

4.4 电池性能测试

4.4.1 电解质的配制

4.4.2 N719染料的配制

4.4.3 性能测试

4.5 高长径比组装的DSSCs的Ⅰ-Ⅴ特性曲线分析

4.6 本章小结

第五章 TiO2纳米管阵列膜的改性

5.1 引言

5.2 N掺杂TiO2纳米管的制备、表征及其光催化活性研究

5.2.1 N掺杂TiO2纳米管阵列的制备

5.2.2 N掺杂TiO2纳米管阵列的表征

5.2.3 N掺杂TiO2纳米管阵列薄膜的光催化性能

5.3 小结

结论

参考文献

致谢

附录 A