TiO-,2-納米材料及其復合體系在光電化學領域中的應用研究.pdf

1、近年來，人類目前所面臨的這些能源危機和環(huán)境污染問題的日益突出，社會的發(fā)展要求開發(fā)出高效，無污染的清潔能源，支撐人類生存和發(fā)展的能源正從以石油，煤等為主的污染消費型能源轉向清潔再生型能源。光電化學技術以其室溫深度反應和可直接利用太陽能作為光源來驅動反應等獨特性能，而成為一種理想的環(huán)境污染治理技術和潔凈能源生產技術。其中，半導體納米材料尤其是TiO<,2>納米材料由于具有獨特的光電化學性能、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、生物惰性、無毒無害及制作簡便等，使

2、得它無論是在太陽能光電轉換方面，還是在廢物的降解處理方面都有很好的實際應用前景。然而，納米TiO<,2>本身也存在諸多問題，比如：禁帶寬，產生的電子-空穴對壽命短且極易復合，光譜響應范圍較窄，這些都很大程度上抑制了納米TiO<,2>的光電化學活性及其應用。針對目前納米TiO<,2>存在的這些缺陷，本論文采用染料敏化、半導體復合、納米電極有序構建以及新型電解質設計等途徑對納米TiO<,2>光電化學體系進行改性和優(yōu)化，利用TEM、SEM、X

3、RD和UV-vis等技術對這些TiO<,2>體系的微觀結構和形貌進行了分析，并采用電化學阻抗譜(ElS)、Mott-Schottky譜(MS)、光電流譜以及光催化活性測試等于段測試其光電化學性能，對其相應的光電化學反應機理也進行了一定程度上的探索，為實現如何改善和控制納米TiO<,2>(復合)體系的光電化學性能提供了重要的理論和實踐參考價值。本論文主要開展了以下幾方面的研究工作： 1.利用靜電層層自組裝(LbL)技術，將卟吩染料

4、分子和納米TiO<,2>組裝到FTO導電玻璃表面上，成功構建得到了有機染料/TiO<,2>納米顆粒的有序復合薄膜，為染料敏化納米TiO<,2>電極的有序化構建提供了新思路。光電化學測試結果表明，由于TiO<,2>復合薄膜中染料分子的光敏作用和膜層的線性有序組裝，導致了該TiO<,2>復合薄膜體系不僅在紫外和可見光區(qū)域都出現了光電流響應，而且光電流的大小與膜層層數之間具有較好的線性關系。本論文的研究結果為如何有效改善和控制納米TiO<,2

5、>的光電化學性能提供了一種新方法，具有重要的研究意義。 2.對準固態(tài)染料敏化TiO<,2>納米晶太陽能電池(DSSCs)而言，電解液的組成與性能至關重要，影響到準固態(tài)DSSCs的光電轉化效率和長期穩(wěn)定性。目前，通常采用的聚合物電解液都不具備良好的離子導電性能，嚴重影響了準固態(tài)DSSCs的性能。針對目前準固態(tài)DSSCs中聚合物電解液離子導電性能較差的特點，在聚合物電解液的聚合過程中引入具有高離子導電性能的離子液體(BMImPF<,

6、6>，1-丁基-3-甲基-咪唑六氟磷酸鹽)和雜多酸(PWA，磷鎢酸)，成功合成得到了含有離子液體和雜多酸的聚合物復合電解液，實現了對聚合物電解液離子導電性的大幅改善，為新型聚合物電解液合成技術的探索提供了新的思路和途徑。測試結果表明，在聚合物電解液中引入離子液體和雜多酸后，聚合物電解液的離子導電性大大提高；采用該聚合物復合電解液構建的準固態(tài)DSSCs電池的光電化學性能也在很大程度上得到了改善。本論文為納米TiO<,2>光電化學體系提供一

7、種新型聚合物電解質的同時，也為新型高效長期穩(wěn)定的準固態(tài)DSSCs的構建及其可能應用提供了實驗依據和重要參考價值。 3.如何實現對納米TiO<,2>體系的光電化學性能進行有效調控，一直是科研工作者們關注和研究的熱點之一。本論文設計了一種制備納米’IiO<,2>圖案化陣列電極的新型方法，并通過調控其相應的圖案尺寸的方式發(fā)展和建立了一種簡便有效控制納米TiO<,2>體系光電化學性能的新途徑。納米TiO<,2>圖案化陣列是基于傳統(tǒng)光刻技

8、術一微接觸法(μCP)并結合熱處理氧化法制備得到的，將作為“墨汁”的TiO<,2>前驅體溶液通過作為“印章”的圖案化PDMS軟模具壓印復制轉移到經過預處理過的FTO導電玻璃表面，得到圖案化TiO<,2>前驅體陣列，再經熱處理氧化后，即可制備得到有序規(guī)整排列的納米TiO<,2>圖案化陣列。采用這種方法來制備的納米。TiO<,2>圖案化陣列具有許多重要的特性和優(yōu)點，例如制備過程簡便、成本低廉、快速、反應條件相對溫和、結晶性能好而且圖案化尺寸

9、調控方便易行等。光電化學測試結果表明，不同特征尺寸的圖案化納米TiO<,2>陣列具有明顯不同的光電流響應和光催化活性，隨著圖案尺寸的減小，其相應的光電化學性能則相應的增加；由此，通過控制納米TiO<,2>圖案化陣列中圖案特征尺寸的大小，可以有效地凋控納米TiO<,2>陣列的光電化學性能。本論文的研究結果對有序化半導體納米電極表面的構建及其光電化學性能的有效調控都具有秋極而重要的參考價值和指導意義。 4.半導體復合是納米TiO<,

10、2>改性的重要途徑之一，然而通常的復合方式大多集中在米顆粒之間或一維納米材料之間，而對(零維)納米顆粒與(一維)納米棒間的復合研究很少。本論文通過簡便溫和的水熱法，一步合成制備得到了TiO<,2>納米顆粒/ZnO納米棒的半導體復合納米材料。通過調節(jié)前驅體中Ti/Zn的摩爾比，就可以實現對TiO<,2>/ZnO納米復合材料形貌的有效調控。光電化學測試結果表明，相對于單純的TiO<,2>納米顆粒或ZnO納米棒而言，TiO<,2>/ZnO納米

11、復合材料的光譜響應范圍明顯的增加，而且光電流和光催化活性都大大地改善了。這是因為，TiO<,2>納米顆粒與ZnO納米棒進行復合后，在TiO<,2>/ZnO界面形成了異質結，有效地促進了光生電荷的分離，增加了光譜響應范圍，同時增大了半導體材料的比表面積，從而很人程度上改善了其相應的光電化學性能。本論文為納米TiO<,2>光電化學性能的改善提供了一種新的思路和于段，在一定程度上豐富了合成新型半導體納米復合材料的內容，具有重要的科學意義和參考