基于“定向附着”生长机理制备锐钛矿相二氧化钛纳米棒

摘要

充分地利用太阳能是21世纪人类从根本上解决日益严峻的能源与环境问题较为理想的途径之一，已引起了各国研究者的高度关注。TiO2纳米晶染料敏化太阳能电池的优点在于其低廉的成本、简单的工艺和较高的光电转换性能。为此，人们一直不断在工艺、新材料、电池薄膜化等方面进行探索，染料敏化太阳能电池(DSSCs)正日益显示出重要的应用价值。为了改善DSSCs电池的光伏性能，科学家对DSSCs的各项关键组成部分进行了大量研究。近年来，纳米棒或纳米线网络已被证明可提高半导体的光电转换效率，如何可控地获得二氧化钛变得十分有意义。
　　 本文研究了解胶-水热法制备锐钛矿相二氧化钛纳米棒并讨论了其形成机理。以钛盐热水解得到的水合二氧化钛为主要原料，研究不同酸或双氧水等解胶剂及不同水热条件对二氧化钛纳米晶的粒径、晶型和形貌的影响。利用X射线衍射仪(XRD)、红外-拉曼光谱（Raman）、紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）、荧光光谱(PL)、透射电显微镜(TEM)和比表面(BET)等多种手段对所制备的材料进行了表征。
　　 用无机酸作为解胶剂时，经150℃水热处理得到淡蓝色溶胶，其中为锐钛矿相二氧化钛纳米棒；将所得的纳米棒与溶胶混合再经水热处理（两步水热）可获得部分分枝结构的锐钛矿相二氧化钛纳米棒。所制备的二氧化钛晶粒为锐钛矿相、棒状结构，直径小于10nm，沿C轴定向生长，并具有高的长径比。延长水热时间会形成更长的纳米棒，并且形成了复杂环状结构。一步和两步水热得到的样品比表面积分别为115m2/g和108m2/g。解胶-水热过程中TiO2纳米棒的形成可用定向附着生长机理来解释。
　　 用双氧水作为解胶剂时，经水热处理也可得到淡蓝色溶胶。不同水热条件下制备的二氧化钛溶胶为锐钛矿相，直径约小于10nm，长径比大于5。这种具有高长径比的二氧化钛纳米棒具有较高的比表面积，水热时间的延长有利于晶粒“定向附着”生长，较高水热温度得到的二氧化钛纳米棒光致发光性能有所增强。所得的二氧化钛纳米棒具有良好的分散性及稳定性。
　　 论文还研究了优化条件下得到的二氧化钛纳米棒对敏化剂N719的吸附性能。在3.0×10-4M染料N719溶液中，二氧化钛纳米棒的吸附能力均可达0.50molecule/nm2，具有良好的染料吸附性能。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 染料敏化太阳能电池(DSSCs)发展历史

1.2.1 DSSCs的基本结构及工作原理

1.3 国内外DSSCs的研究概况

1.3.1 染料敏化剂研究概况

1.3.2 电解液的研究概况

1.3.3 对电极和导电基底的研究概况

1.3.4 纳米半导体薄膜研究进展

1.4 二氧化钛纳米晶的微结构引入意义

1.5 本论文的工作思路及主要内容

1.6 课题研究展望

参考文献

第二章 酸性解胶-水热法制备锐钛矿相二氧化钛纳米棒及其光学性能

2.1 引言

2.2 二氧化钛的制备及表征

2.2.1 实验原料及仪器

2.2.2 实验过程

2.2.3 表征手段

2.3 实验结果与分析

2.3.1 制备二氧化钛溶胶、凝胶的物相分析(XRD)

2.3.2 制备二氧化钛溶胶、凝胶的Raman分析

2.3.3 制备二氧化钛溶胶UV-vis分析

2.3.4 ICP-AES分析

2.3.5 形貌分析

2.3.6 比表面(BET)分析

2.4 二氧化钛纳米棒形成过程及机理

2.5 本章小结

参考文献

第三章 中性解胶-水热制备锐钛矿相二氧化钛纳米棒及光学性能

3.1 引言

3.2 二氧化钛制备及表征

3.2.1 实验原料及仪器

3.2.2 实验过程

3.2.3 表征手段

3.3 实验结果与讨论

3.3.1 物相分析(XRD)

3.3.2 Raman分析

3.3.3 UV-vis分析

3.3.4 ICP-AES分析

3.3.5 发光性能分析

3.3.6 形貌分析

3.3.7 比表面(BET)分析

3.4 二氧化钛溶胶形成过程及机理

3.5 本章小结

参考文献

第四章 锐钛矿相二氧化钛纳米棒的染料吸附性能及研究

4.1 引言

4.2 吸附实验制备及表征

4.2.1 实验原料及仪器

4.2.2 实验过程

4.2.3 表征手段

4.3 实验结果与讨论

4.3.1 UV-vis分析

4.4 本章小结

参考文献

第五章 全文总结

硕士期间发表的论文及申请的专利

致谢