單晶金紅石型二氧化鈦納米棒陣列的制備和性能研究.pdf

1、納米TiO2因具備許多獨特的性質(zhì)，如光催化性、光伏特性、氣敏性、低毒性等，而受到了廣泛的研究。目前納米TiO2的應(yīng)用很多，其中非常讓人關(guān)注的一個應(yīng)用就是制備染料敏化太陽能電池(DSSC)，因為這也許會成為解決能源危機的一個有效途徑。納米TiO2用作DSSC的光陽極材料的研究始于1991年，在這二十年里，DSSC得到了飛速的發(fā)展。人們在研究中發(fā)現(xiàn)，TiO2的形貌和結(jié)構(gòu)等，都對其作為光陽極的效果產(chǎn)生巨大影響。單晶金紅石型TiO2納米棒陣列，

2、由于不像納米粒子具有大量的表面阱，也不像多晶的納米TiO2存在著大量的晶界，另外還有利于電子的定向傳輸，所以自從2009年第一次被制備出來，就受到了學術(shù)界的廣泛關(guān)注。
　　但由于這種材料比較新穎，所以雖然目前研究開始增多，但對材料的合成體系中各個因素之間影響的系統(tǒng)討論還未見報道;而且現(xiàn)在使用的大部分鈦源都是有機鈦源，對無機鈦源的研究比較少;另外所使用的液態(tài)電解質(zhì)還存在著許多難以克服的缺陷，因此:本文用無機鈦源和有機鈦源分別制備了有

3、序的TiO2納米棒陣列，并系統(tǒng)地討論了實驗過程中的各個因素對納米棒的形貌、結(jié)構(gòu)和性能的影響;然后用有機鈦源制備了二氧化鈦納米棒，對其進行了煅燒處理后組裝成全固態(tài)的DSSC，并討論了煅燒的溫度對DSSC的光電性能的影響。
　　主要研究工作和結(jié)果如下:
　　(1)以四異丙醇鈦(Ti(iPro)4)為鈦源，通過水熱法合成制備了金紅石型TiO2納米棒陣列，并系統(tǒng)的討論了合成過程中反應(yīng)液的配比、生長溫度和時間對產(chǎn)物的形貌、結(jié)構(gòu)和光電流

4、密度的影響。最后發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)液的配比對TiO2的生長有明顯的影響，其反應(yīng)液的最佳配比為:去離子水、鹽酸和鈦源的體積比為10∶10∶0.4;生長時間的增加會導(dǎo)致其長度和結(jié)晶度的增加，但增加速度比較緩慢，對納米棒的直徑和光電流密度沒有明顯的影響;反應(yīng)溫度對納米棒的影響比較大，隨著溫度的上升，納米棒的直徑、長度和結(jié)晶度都迅速上升，而光電流密度則隨溫度的上升先上升后下降。
　　(2)目前在水熱法制備TiO2納米棒時，用的比較多的是一些有機的

5、鈦源，如鈦酸丁酯(Ti(OBu)4)和Ti(iPro)4，對于無機鈦源的研究比較少。但考慮到在組裝DSSC前，二氧化鈦光陽極都需要先用四氯化鈦預(yù)處理，另外有機鈦源容易在樣品表面留下有機殘留物，所以本論文以無機四氯化鈦(TiCl4)來代替四異丙醇鈦為鈦源，合成了單晶金紅石型的TiO2納米棒陣列，并對合成過程中的影響因素進行了研究。結(jié)果表明:TiCl4作為鈦源與四異丙醇鈦為鈦源制備的TiO2，其形貌和結(jié)構(gòu)上是差不多的，只是以TiCl4為鈦源

6、時，樣品生長的比較快;隨著時間的增加，納米棒的直徑、長度和結(jié)晶度都有所增加，但增加幅度較小，其光電性能變化較小;當溫度上升的時候，納米棒的長度和結(jié)晶度開始迅速的增加，而其光電性能（包括光電流密度和外量子效率）則隨之先增大，后減小。
　　(3)以鈦酸丁酯為鈦源，用水熱法合成制備出單晶TiO2納米棒陣列，經(jīng)過煅燒處理后以其為光陽極材料，以N719為染料，以CsSnI2.95F0.05為電解質(zhì)，以鍍鉑FTO導(dǎo)電玻璃為對電極，成功組裝了全

7、固態(tài)的染料敏化太陽能電池，并對其光電性能進行了測試和研究。結(jié)果表明:所制得的全固態(tài)DSSC與液態(tài)的DSSC結(jié)構(gòu)基本一樣;在煅燒溫度從200℃上升到500℃的過程中，掃描電鏡(SEM)和X射線衍射(XRD)數(shù)據(jù)表示煅燒溫度對納米棒的結(jié)晶度影響不大，只是對其長度有所影響，隨著煅燒溫度的增加，納米棒的長度也有所增加;煅燒溫度的升高會加劇納米棒的聚集;隨著煅燒溫度的升高，DSSC的光電性能也呈現(xiàn)先增大，后減小的趨勢，在450℃下煅燒三個小時的T