TiO2納米管-棒陣列及其復(fù)合物薄膜的光催化-光電性能研究.pdf

1、半導(dǎo)體異相光催化和敏化系光伏電池是近年來發(fā)展起來的眾多技術(shù)中解決能源環(huán)境問題的有效途徑。如何構(gòu)筑高性能材料是異相光催化和敏化系太陽能電池技術(shù)的核心。其中，TiO2作為關(guān)鍵材料一直伴隨著這兩種技術(shù)的發(fā)展。迄今，人們已制備出各種TiO2材料，相對(duì)于其他結(jié)構(gòu)的TiO2材料來說，擁有一維有序結(jié)構(gòu)的TiO2管/棒陣列材料，由于其軸向電子傳輸速率快，已經(jīng)成為了光催化和敏化系太陽能電池的首選材料之一。詳細(xì)研究這些材料的結(jié)構(gòu)和改性方法，進(jìn)一步提高它們的

2、光電化學(xué)性能顯得尤為必要。本文以TiO2納米管/棒陣列及其復(fù)合薄膜為研究對(duì)象，對(duì)它們?cè)诹孔狱c(diǎn)敏化太陽能電池和半導(dǎo)體異相光催化中的應(yīng)用做了詳細(xì)研究，并探討了摻雜和表面改性等方法對(duì)材料光電性能的影響機(jī)制。
　　1.在系統(tǒng)研究制備工藝條件對(duì)TiO2納米管陣列形成和結(jié)構(gòu)形貌影響的基礎(chǔ)上，采用二次陽極氧化法成功制備出雙層TiO2納米管陣列，比較了不同納米管陣列的光催化性能。結(jié)果表明在不同電解液中制備的TiO2納米管光催化效率與納米管長(zhǎng)度沒有

3、直接聯(lián)系。
　　2.通過先熱處理晶化，再進(jìn)行二次高電壓陽極氧化制備了無支撐貫通的內(nèi)錐形銳鈦礦TiO2納米管陣列，這種陣列結(jié)構(gòu)有利于載流子傳輸和敏化劑在其內(nèi)表面的吸附。利用此TiO2納米管陣列和Pt對(duì)電極制備了CdS量子點(diǎn)敏化太陽能電池，電池的效率達(dá)到1.19％。研究表明TiO2納米管陣列大口朝上有利于敏化劑的負(fù)載，可減少敏化劑在管口的堆積，提高電子由CdS向納米管陣列的注入速度。進(jìn)一步以碳對(duì)電極替換Pt對(duì)電極，利用其多孔結(jié)構(gòu)和對(duì)電

4、解液的催化作用，提高了電池的開路電壓和填充因子，使電池效率提高至1.32％。
　　3.采用水熱法成功合成了Sn摻雜TiO2納米棒陣列，研究Sn摻雜對(duì)一維有序TiO2納米棒陣列的生長(zhǎng)過程、結(jié)構(gòu)形貌和光電性能的影響。Sn4+與Ti4+具有相同價(jià)態(tài)，而電負(fù)性不同，因此Sn在TiO2中可形成等電子摻雜，對(duì)其光電性能產(chǎn)生影響；Sn4+替位Ti4+使晶包在c軸方向上有明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)；摻Sn后材料的光電響應(yīng)性能下降，可能是由于Sn摻雜在TiO2禁

5、帶中形成了低態(tài)密度的光生電子-空穴復(fù)合中心。
　　4.將TiO2納米棒陣列與Au納米顆粒/棒進(jìn)行復(fù)合，系統(tǒng)研究了復(fù)合前后材料光電化學(xué)性能的變化。在紫外光照射下，TiO2導(dǎo)帶中電子部分遷移至Au顆粒上，有效降低載流子復(fù)合幾率；在可見光照射下，Au的等離子體激發(fā)態(tài)電子注入TiO2納米棒陣列電極，使其具有可見光光催化活性。通過循環(huán)伏安法測(cè)試證明了在Au顆粒和TiO2納米棒陣列之間存在電荷遷移，并探討電荷遷移機(jī)制。光電流表征的為經(jīng)外電路流