基于TiO2光催化剂的光致能量存储与转换

摘要

光致储能体系是将能够产生光电效应的半导体电极与储能电极有机结合，它可以直接将光能转化为化学能储存起来，这种储存能量的方法可以减少太阳能电池造成的能量损失并节约成本。TiO2是一种宽禁带的n-型半导体，将其与储能物质结合，紫外光照射下产生的光生空穴和电子分别可以实现氧化性和还原性能量的储存。本论文主要探究了TiO2-Ni(OH)2复合膜电极的氧化性能量储存以及与WO3电极耦合实现氧化性和还原性能量同时储存。
　　第三章采用水热法在FTO玻璃上制备了TiO2纳米线电极，以TiO2纳米线电极为基体，采用阳极氧化法电沉积Ni(OH)2，制备了三维多孔的TiO2-Ni(OH)2复合膜电极。将多孔的TiO2-Ni(OH)2复合膜电极和铂电极耦合构筑氧化性能量储存体系，在1M NaOH溶液中对体系进行循环伏安测试，紫外光照射下实现了氧化性能量储存，并对其进行了光照-放电循环性能测试。氧化性能量储存体系的光电转化效率可达10.5％，并具有良好的循环稳定性。TiO2纳米线有利于电子的传输，具有较高的光活性;Ni(OH)2多孔结构不仅增加与TiO2的接触面积以增大p-n结，还有利于电解液的渗入;复合膜电极与铂电极耦合加速了光生电子和空穴的分离，并有效阻止NiOOH被副产物（如H2O2）重新还原。上述三个因素是光致氧化性能量储存体系具有较高转化效率的原因。
　　第四章采用水热法在FTO玻璃上制备了WO3纳米片序列，通过阴极电沉积法制备了TiO2-Ni(OH)2复合膜电极。将TiO2-Ni(OH)2复合膜电极与WO3电极耦合，构筑了氧化性和还原性能量储存的耦合体系。紫外光照射下，TiO2-Ni(OH)2复合膜电极在1M NaOH溶液中实现了氧化性能量储存，同时，暗态下的WO3电极在3wt％ NaCl(pH=5)中实现了还原性能量储存。耦合体系的构筑，一方面可以同时有效利用氧化性能量和还原性能量，避免单独氧化性和还原性能量储存造成的损失，另一方面可以促进光生电子和空穴的分离，从而加强氧化性能量储存。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 二氧化钛半导体光催化原理

1．1．1 TiO2的晶型和能带结构

1．1．2 TiO2光催化作用机理

1．1．3 TiO2薄膜的制备

1．2 氢氧化镍

1．2．1 Ni(OH)2的晶体结构及性质

1．2．2 Ni(OH)2的应用

1．2．3 Ni(OH)2的制备

1．3 半导体简介

1．3．1 半导体的基本概念

1．3．2 半导体的带弯和p-n结的形成

1．3．3 半导体太阳能电池的工作原理和发展应用

1．4 三氧化钨半导体材料

1．4．1 WO3的晶型

1．4．2 WO3半导体材料的应用

1．4．3 WO3薄膜的制备

1．5 能量储存体系的构筑和研究

1．5．1 光致氧化性能量储存体系的构筑

1．5．2 氧化性和还原性能量储存的耦合作用

1．6 选题依据及主要内容

参考文献

第二章 实验内容与测试方法

2．1 化学试剂和仪器

2．1．1 化学试剂

2．1．2 测试仪器

2．2 电极材料的制备

2．2．1 FTO导电玻璃基体的预处理

2．2．2 多孔TiO2-Ni(OH)2复合膜电极的

2．2．3 WO3电极的制备

2．3 材料的物理性能表征

2．3．1 X射线衍射分析(XRD)

2．3．2 扫描电子显微镜(SEM)

2．3．3 透射电子显微镜(TEM)

2．3．4 X射线光电子能谱分析(XPS)

2．4 电极的光电化学和电化学性能测试

参考文献

第三章 TiO2-Ni(OH)2复合膜光致氧化性能量储存体系的构筑

3．1 引言

3．2 实验方法

3．2．1 TiO2-Ni(OH)2复合膜电极的制备

3．2．2 电极的表面形貌和结构表征

3．2．3 电极的光电化学和电化学性能测试

3．3 结果和讨论

3．3．1 电极的形貌和结构表征

3．3．2 电极的光电化学行为研究

3．3．3 电极的光照-放电循环稳定性研究

3．3．4 氧化性能量储存的可能机理

3．4 本章小结

参考文献

第四章 光致氧化性与还原性能量储存的耦合作用

4．1 引言

4．2 实验方法

4．2．1 电极的制备

4．2．2 电极的结构和形貌表征

4．2．3 电极的电化学和光电化学性能表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 TiO2纳米线电极和TiO2／Ni(OH)2复合膜电极的形貌和结构表征

4．3．2 WO3电极的形貌和结构表征

4．3．3 紫外光诱导的能量耦合储存行为的研究

4．3．4 能量耦合储存作用的可能机理

4．3．5 影响还原性能量储存的可能因素

4．4 本章小结

参考文献

第五章 总结与展望

5．1 论文总结

5．2 工作展望

论文创新点

附录： 硕士期间发表和参与的论文