二氧化鈦復合納米結(jié)構(gòu)的制備及其應用研究.pdf

1、二氧化鈦(TiO2)作為寬禁帶的半導體材料，以其獨特的光催化性能和光電性能已經(jīng)成為目前能源與環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點之一。具有高比表面積的三維TiO2納米材料，如納米花，納米球及納米樹等，相對于低維的TiO2納米材料具有更為優(yōu)異的光催化和光電性能，而TiO2的結(jié)構(gòu)和比表面積很大程度上影響了它的性能。因此，優(yōu)化三維TiO2納米結(jié)構(gòu)具有深遠的意義。本論文著重介紹了幾種連續(xù)生長的TiO2三維納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制備，并將其應用于光催化及染料敏化太陽能電

2、池(DSSC)等領(lǐng)域。論文的研究工作如下:
　　通過調(diào)控水熱反應條件合成了多種新型的TiO2納米結(jié)構(gòu)。包括TiO2多孔膜結(jié)構(gòu)、TiO2納米柱陣列、TiO2空心球結(jié)構(gòu)和TiO2松塔結(jié)構(gòu)等。對這些結(jié)構(gòu)的表面形貌進行了表征，對其生長機理進行了分析，并對其未來的應用前景進行了展望，這些材料的成功制備也為后續(xù)三維TiO2納米結(jié)構(gòu)材料的調(diào)控和合成打下了基礎(chǔ)。
　　以一維的TiO2納米帶為支架，成功制備了TiO2納米花帶(TiO2 NFC

3、)結(jié)構(gòu)，為了深入研究TiO2 NFC的生長機理，對制備過程中TiO2納米帶添加量、鹽酸和水的比例、反應時間及反應溫度進行了調(diào)控。一方面，將其應用于光催化領(lǐng)域，光催化降解有機污染物甲基橙的實驗表明，相比于商業(yè)化P25，由于納米花帶特殊的電子傳輸通道、高比率暴露的(001)晶面以及銳鈦礦的晶型結(jié)構(gòu)，使其呈現(xiàn)出優(yōu)異的降解速率;另一方面，將其應用于染料敏化太陽能電池，將比表面積較小的TiO2 NFC(21 m2/g)和P25進行物理混合以制備出

4、不同質(zhì)量混合比例(NFC∶P25=0∶10;1∶9;3∶7;5∶5;7∶3;9∶1;10∶0)的復合光陽極材料。結(jié)果表明，5∶5的復合光陽極電池呈現(xiàn)出最高的光電轉(zhuǎn)換效率(6.38％)。適量的優(yōu)異導電性能的TiO2 NFC的加入有助于電子的傳輸，減少了界面的復合;同時3D納米結(jié)構(gòu)增強了光的散射，從而增加了光電子的數(shù)量，提高了短路電流。
　　設(shè)計并制備一種兼具優(yōu)異的電子傳輸性能和大比表面積(191 m2/g)的三維TiO2串球結(jié)構(gòu)(T

5、iO2 HSN)，將其應用于光催化和染料敏化太陽能電池。一方面，相比于商業(yè)化P25，TiO2 HSN因其大的比表面積，優(yōu)異的電子傳輸性能以及(001)高能面的暴露，呈現(xiàn)出更好的光催化性能。另一方面，分別將TiO2 HSN作為光陽極膜的散射層和吸收層制備雙層和單層DSSC器件。首先，TiO2 HSN作為散射層材料（P25作為吸收層）不僅起到了光散射作用，同時也吸附了更多的染料，因而提高了電池的效率;其次TiO2 HSN-DSSC增強的光電

6、轉(zhuǎn)換效率主要源于其良好的晶化、大的比表面積、好的電子傳輸性能以及增強的光散射效應。
　　采用水熱合成法進一步設(shè)計制備了Ag/TiO2核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)(AWT)。對不同的生長時間、反應溫度及反應添加物進行了系統(tǒng)的研究。一方面，光催化結(jié)果表明:與P25相比，AWT呈現(xiàn)出更好的光催化性能，這主要源于AWT快速的電子傳輸能力以及Ag/TiO2異質(zhì)結(jié)構(gòu)的肖特基勢壘效應。另一方面，將合成的Ag/TiO2的復合納米材料按照不同的質(zhì)量百分比(0％，0