納米TiO2薄膜的制備及其光電性能研究.pdf

1、TiO2具有價(jià)格便宜、無毒、原料易得、抗光腐蝕性等優(yōu)點(diǎn),是目前研究最為廣泛的半導(dǎo)體光催化劑之一。自從Fujishima和Honda報(bào)道了TiO2電極在太陽光照射下將水分解成氫氣和氧氣以來,TiO2材料在太陽能光解水制氫領(lǐng)域就成為了眾多科研人員關(guān)注的焦點(diǎn)。但TiO2禁帶寬度較寬,對(duì)太陽能的利用率很低,限制了其在太陽能制氫領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。因而對(duì)TiO2進(jìn)行各種修飾以提高其光電轉(zhuǎn)換效率的研究是當(dāng)前的熱點(diǎn)課題。本論文采用溶膠-凝膠、陽極氧化、熱

2、氧化等多種方法制備了一系列納米TiO2薄膜,考察了納米薄膜的光電化學(xué)性質(zhì)。通過引入碳納米管制備復(fù)合薄膜,利用非金屬N元素對(duì)TiO2薄膜進(jìn)行摻雜,提高了TiO2薄膜的光電化學(xué)性能。論文的主要結(jié)果和結(jié)論如下:
　　 1.采用溶膠-凝膠法制備了系列多壁碳納米管(MWCNTs)/TiO2納米復(fù)合薄膜,考察了MWCNTs的含量對(duì)納米復(fù)合薄膜光電性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),納米復(fù)合薄膜中MWCNTs的最佳含量為0.04 mg/cm2。相比純TiO

3、2薄膜,納米復(fù)合薄膜的光電壓增大0.23 V,紫外-可見光照射下的光電流增大2倍,可見光照射下的光電流增大8.5倍。由于MWCNT薄膜具有良好的電子導(dǎo)電性、吸光性和鏤空的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)等性質(zhì),提供了TiO2光生電子迅速傳遞到外電路的有效途徑,形成了一個(gè)理想的基板負(fù)載TiO2納米顆粒,有利于電解質(zhì)和TiO2納米粒子充分接觸,還可以使模擬太陽光在納米復(fù)合薄膜表面產(chǎn)生多次折射和反射,顯著提高了納米復(fù)合薄膜光生載流子的分離效率和模擬太陽光的利用效率。

4、
　　 2.采用溶膠-凝膠法制備了不同復(fù)合方式的MWCNTs/TiO2納米復(fù)合薄膜,研究了不同復(fù)合方式對(duì)納米復(fù)合薄膜光電性能的影響。光電測(cè)試結(jié)果表明底層分布MWCNTs的納米復(fù)合薄膜的光電化學(xué)性能最好。與純TiO2薄膜相比,底層分布MWCNTs的納米復(fù)合薄膜的光電壓增大0.1 V,光電流增大3倍,入射單色光子.電流轉(zhuǎn)換效率(incident monochromatic photon-to-currentconversion ef

5、ficiency,IPCE)在各個(gè)波段都大,IPCE在340 nm處達(dá)到12.4％,在660 nm處達(dá)到1.9％。而均勻分布及表層分布MWCNTs的納米復(fù)合薄膜的光電活性反而比純TiO2薄膜小。依據(jù)載流子分離原理探討了不同復(fù)合方式對(duì)納米復(fù)合薄膜光電性能的影響,底層分布MWCNTs的納米復(fù)合薄膜由于MWCNTS有效地收集電子并阻止載流子的復(fù)合從而提高了光電化學(xué)活性。本文首次提出的這種底層分布MWCNTs方式制備MWCNTs/TiO2納米復(fù)

6、合薄膜材料的設(shè)計(jì)思路,在設(shè)計(jì)高光電活性的染料敏化太陽能電池、太陽能光解水制氫方面有潛在的應(yīng)用前景。
　　 3.提出了一種制備氮摻雜納米TiO2孔狀薄膜的新工藝,將Ti基板先經(jīng)氮等離子體浸沒離子注入(Nitrogcn Plasma Immersion Ion Implantation,N-PIII)方法修飾,再經(jīng)陽極氧化方法處理得到氮摻雜的納米TiO2孔狀薄膜。光電化學(xué)測(cè)試測(cè)得氮摻雜的TiO2孔狀薄膜的紫外-可見光光電流密度為51

7、0μA/cm2,可見光光電流密度為3.3μA/cm2。相比將Ti基板經(jīng)N-PIII修飾處理得到的氮摻雜的TiO2薄膜,紫外-可見光光電流密度增大了3.5倍,可見光光電流密度增大了1.7倍;相比將Ti基板經(jīng)陽極氧化處理得到的純TiO2孔狀薄膜,紫外-可見光和可見光光電流密度也都增大。結(jié)果表明,氮摻雜進(jìn)入TiO2晶格間隙中形成Ti-O-N結(jié)構(gòu),納米孔狀結(jié)構(gòu)不僅有利于退火時(shí)制備銳鈦礦晶型的TiO2薄膜,而且其大的比表面積能吸收更多的光子,顯著

8、提高了氮摻雜的納米TiO2孔狀薄膜的光電性能。
　　 4.采用溶膠-凝膠、陽極氧化、直接熱氧化的方法制備了未修飾的TiO2薄膜并系統(tǒng)研究了其在可見光照射下的光電化學(xué)性質(zhì)。結(jié)果表明,經(jīng)過熱處理的未修飾的TiO2薄膜也表現(xiàn)出微弱的可見光光電響應(yīng)。這是因?yàn)門iO2薄膜需要經(jīng)過高溫?zé)崽幚韺?shí)現(xiàn)晶型轉(zhuǎn)變,而熱處理過程中溫差的變化引起了TiO2較大的晶格畸變,導(dǎo)致TiO2薄膜表面部分Ti-O鍵斷裂,形成了很多表面態(tài),如晶格缺陷處Ti4+成為光