納米TiO2薄膜的制備及其光電性能研究.pdf

1、TiO2具有價格便宜、無毒、原料易得、抗光腐蝕性等優(yōu)點,是目前研究最為廣泛的半導體光催化劑之一。自從Fujishima和Honda報道了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域就成為了眾多科研人員關注的焦點。但TiO2禁帶寬度較寬,對太陽能的利用率很低,限制了其在太陽能制氫領域的實際應用。因而對TiO2進行各種修飾以提高其光電轉換效率的研究是當前的熱點課題。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性質。通過引入碳納米管制備復合薄膜,利用非金屬N元素對TiO2薄膜進行摻雜,提高了TiO2薄膜的光電化學性能。論文的主要結果和結論如下:
　　 1.采用溶膠-凝膠法制備了系列多壁碳納米管(MWCNTs)/TiO2納米復合薄膜,考察了MWCNTs的含量對納米復合薄膜光電性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),納米復合薄膜中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電性、吸光性和鏤空的網(wǎng)狀結構等性質,提供了TiO2光生電子迅速傳遞到外電路的有效途徑,形成了一個理想的基板負載TiO2納米顆粒,有利于電解質和TiO2納米粒子充分接觸,還可以使模擬太陽光在納米復合薄膜表面產(chǎn)生多次折射和反射,顯著提高了納米復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合方式的MWCNTs/TiO2納米復合薄膜,研究了不同復合方式對納米復合薄膜光電性能的影響。光電測試結果表明底層分布MWCNTs的納米復合薄膜的光電化學性能最好。與純TiO2薄膜相比,底層分布MWCNTs的納米復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.電流轉換效率(incident monochromatic photon-to-currentconversion ef

5、ficiency,IPCE)在各個波段都大,IPCE在340 nm處達到12.4％,在660 nm處達到1.9％。而均勻分布及表層分布MWCNTs的納米復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合方式對納米復合薄膜光電性能的影響,底層分布MWCNTs的納米復合薄膜由于MWCNTS有效地收集電子并阻止載流子的復合從而提高了光電化學活性。本文首次提出的這種底層分布MWCNTs方式制備MWCNTs/TiO2納米復

6、合薄膜材料的設計思路,在設計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。光電化學測試測得氮摻雜的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。結果表明,氮摻雜進入TiO2晶格間隙中形成Ti-O-N結構,納米孔狀結構不僅有利于退火時制備銳鈦礦晶型的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性質。結果表明,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。這是因為TiO2薄膜需要經(jīng)過高溫熱處理實現(xiàn)晶型轉變,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