纳米TiO_2光阳极材料的改性及其光电化学和光催化性能研究

纳米TiO_2光阳极材料的改性及其光电化学和光催化性能研究

作者:师大云端图书馆 时间:2015-12-04 分类:期刊论文 喜欢:2927
师大云端图书馆

【摘要】半导体光电和光催化技术在利用太阳能解决能源危机和环境污染问题方面有着广泛的应用前景。在众多的半导体材料中,TiO2由于原料易得、价格便宜、无毒、稳定等优点而在光电和光催化领域备受人们的关注。但是TiO2的禁带宽度较宽,仅能受到紫外光的激发,对太阳光的利用率低,同时TiO2光生电子-空穴对复合几率高,这些阻碍了TiO2在光电和光催化方面的实际应用,因而对TiO2进行修饰改性以提高其光电和光催化性能是当前研究的热点课题。本论文从制备方法、掺杂和碳材料复合修饰等方面对TiO2光阳极材料进行了改性,并尝试了采用立体采光结构提高太阳光的利用率,通过多种材料表征手段以及染料敏化太阳能电池(DSSCs)、光电和光催化活性测试,对改性后的TiO2光阳极材料进行了一些研究。通过大量实验,本论文取得了一些创新性的成果,主要研究结果如下:1.提出一种制备元素掺杂TiO2薄膜光阳极的新工艺。采用“固态氧化物浴”法,通过在固态SiO2粉末中热处理金属钛片制备了Si掺杂TiO2薄膜光阳极,并用X-射线光电子能谱(XPS)和光电化学测试进行了表征。实验结果表明Si掺入了TiO2的晶格中,且掺杂量可以通过改变热处理时间和温度控制,与TiO2薄膜相比,Si掺杂TiO2薄膜可见光响应增强。考察了热处理时间和温度对TiO2电极光电化学性能的影响,研究发现在450℃热处理2h得到的样品的瞬态光电流值最大。光催化测试结果表明,紫外光照下,Si掺杂的TiO2薄膜电极的光催化活性高于未掺杂电极。电化学阻抗谱测试表明硅掺杂修饰后TiO2电极的电荷转移电阻变小,平带电位更负,载流子密度增大。将金属Ti片置于其他的氧化物粉体中热处理,也可制备其它相应元素掺杂的TiO2薄膜。2.采用阳极氧化法,在阳极氧化电解液中加入硅钨酸,一步原位制备了Si-W共掺杂的TiO2纳米管薄膜,通过控制硅钨酸的用量,可实现对样品中Si、W含量的控制。采用XRD、XPS、SEM和UV-VisDRS等对样品进行了表征。实验结果表明,Si-W共掺杂的TiO2纳米管薄膜的可见光响应较TiO2纳米管薄膜增强。在可见光照射下,Si-WTiO2纳米管薄膜电极的瞬态光电流值为0.97μAcm-2,是相同测试条件下TiO2纳米管薄膜电极瞬态光电流值(0.39μAcm-2)的2.5倍。电化学阻抗谱和测试表明,掺杂后,TiO2纳米管薄膜电极的电荷转移电阻变小,平带电位更负,载流子密度增大。基于Si-WTiO2纳米管薄膜光阳极的染料敏化太阳能电池能量转换效率较TiO2增大。在阳极氧化电解液中加入其它物质,也可以用于制备其它相应元素掺杂的TiO2纳米管薄膜。3.将TiN纳米粉末分别在空气和CO气氛中焙烧,一步制备了N掺杂和C-N共掺杂TiO2纳米材料。XRD测试结果表明,C-N共掺杂TiO2样品的金红石相随着焙烧温度的升高而增多,且衍射峰位置较N掺杂TiO2样品左移。由SEM测试结果可知,C-N共掺杂TiO2纳米颗粒粒径小于N掺杂TiO2样品。XPS测试结果证明了在所制备的样品中C和N的存在。紫外-可见漫反射吸收谱表明C-N共掺杂TiO2相比N掺杂TiO2和P25的吸收带边红移,禁带宽度变窄。光催化降解亚甲基蓝结果表明,在紫外和可见光照射下C-N共掺杂TiO2纳米催化剂的降解速率最快。在紫外-可见光照射下光催化降解间苯二酚实验进一步证实了C-N共掺杂TiO2光催化剂的光催化降解活性最好。另外,基于C-N共掺杂TiO2纳米材料光阳极的染料敏化太阳能电池的能量转换效率高于P25和N掺杂TiO2。4.采用电化学刻蚀石墨棒技术在交流电压下合成了碳点,之后利用浸渍-自组装法,通过将TiO2纳米管薄膜浸渍在碳点溶液中制备了碳点/TiO2纳米管光阳极。测试结果表明,与纯TiO2薄膜电极相比,碳点/TiO2薄膜电极在UV-Vis漫反射吸收谱中的吸收带边红移。碳点/TiO2薄膜电极在可见光下的瞬态光电流值增大1.7倍,亚甲基蓝溶液在可见光下降解效率提高了13%。引入碳点后,TiO2纳米管薄膜电极的开路电压值增大,表明载流子浓度增大。基于碳点敏化的TiO2纳米管薄膜光阳极的太阳能电池的效率为0.0041%,进一步证实了碳点对TiO2纳米管的敏化作用。本实验提出了一种新的简便方法制备了碳点,并证实了碳点的引入是一种提高TiO2纳米管薄膜光阳极可见光响应的新方法。5.以P25和碳点为初始物,采用一步水热法制备了碳点/P25复合光催化剂。TEM结果表明,碳点均匀地分散在TiO2表面。由XRD可知,碳点的引入没有改变P25的晶相组成,同时也观察到了碳的特征峰。傅立叶变换红外光谱进一步证实了碳点化学键合在TiO2的表面。UV-visDRS吸收谱表明,碳点/P25在紫外和可见光区均有较强的吸收,且吸收带边比P25红移。紫外-可见光下的光催化制氢和可见光下的光催化降解结果表明,碳点的修饰增强了TiO2光催化性能。6.利用N719敏化阳极氧化的Ti丝光阳极,Pt/碳纤维对电极以及I3-/I-电解液组装了一种新型的立体采光式针状染料敏化太阳能电池。基于TiCl4后处理光阳极的电池效率是未处理光阳极的1.4倍,研究表明TiCl4后处理光阳极是一种提高针状染料敏化太阳能电池短路电流密度,进而提高电池效率的有效方法。另外,与Pt电极相比,Pt/碳纤维电极具有更大的比表面积,因此在循环伏安测试中对I3-显示了更好的催化还原作用。进一步研究发现,基于Pt/碳纤维电极的DSSCs的电池效率为2.21%,约是基于Pt对电极的电池效率(1.40%)的1.57倍。说明Pt/碳纤维对电极具有在DSSCs中取代昂贵的Pt电极的潜在的应用价值,从而降低DSSCs的成本。同时还探索了该类电池并联工艺,为该类电池的大面积商业化应用提供了思路。
【作者】孙明轩;
【导师】崔晓莉;
【作者基本信息】复旦大学,物理电子学,2013,博士
【关键词】二氧化钛;改性;光电化学;光催化;染料敏化太阳能电池;

【参考文献】
[1]郭霞.榄香烯对c-Met磷酸化通路的影响[D].大连医科大学,中医内科学,2012,硕士.
[2]王建民.基于平衡计分卡的M银行员工绩效考评研究[D].西北大学,工商管理(专业学位),2012,硕士.
[3]刘宁.发酵豆乳对大鼠溃疡性结肠炎的防治作用及机制研究[D].山西医科大学,营养与食品卫生学,2013,硕士.
[4]折文娟.北京市社区志愿者培训机制研究[D].首都经济贸易大学,行政管理,2014,硕士.
[5]李世卿,杨自厚,吴宝祥.电力拖动的最优控制(上)[J].冶金自动化,1985,01:32-35.
[6]蓝海东.急斜特厚煤层回采巷道支护技术研究[D].西安科技大学,采矿工程,2014,硕士.
[7]鲁文,徐石明,周苏荃,柳焯.新息图法辐射配电网不正常事件的识别[J].华北电力技术,2004,04:39-41.
[8]万志康.“绿色发展”的哲学探索[D].扬州大学,马克思主义哲学,2012,硕士.
[9]王志强,刘文霞,范勇峰,刘念,彭晓峰.广域测量系统可靠性研究框架[J].电力系统自动化,2008,24:25-29.
[10]陈安珣.纳米银新衬底的合成与表面增强拉曼光谱分析希瓦氏菌的研究[D].广东工业大学,应用化学,2014,硕士.
[11]董胜英.基于资源均衡的铁路建设工程进度计划优化模型研究[D].北京交通大学,交通运输工程(专业学位),2013,硕士.
[12]高敏.基于粒子群蚁群算法的路径规划研究[D].南昌航空大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[13]朱蔚恒,陈健,印鉴.数据挖掘在电子商务中的应用[J].计算机工程,2002,08:73-74+113.
[14]陈婷婷.中美建交中的中方译员的作用—社会学的视角[D].广东外语外贸大学,翻译学,2013,硕士.
[15]王华.变倍率锂电池充电及其管理系统研究[D].厦门大学,仪器仪表工程,2014,硕士.
[16]黄小华,孙永,沈能,唐华东,任红,彭明利.双亲姜黄素衍生物减轻大鼠肝纤维化与抗炎抗氧化作用的研究[J].中国药理学通报,2015,04:470-475.
[17]吕晓娟.商品房开发项目全过程成本控制研究[D].西安建筑科技大学,建筑与土木工程,2013,硕士.
[18]孙海鹏.基于文件系统的恶意代码监控技术的研究[D].西北师范大学,计算机技术,2013,硕士.
[19]沈公奇.车内噪声声品质心理声学主客观评价模型研究[D].上海工程技术大学,车辆工程,2011,硕士.
[20]钟力明.论语文教学中古典诗歌意象理论观照下的审美化阅读[D].华中师范大学,学科教学论,2003,硕士.
[21]李海洋.朱鹮(Nipponia nippon)种群生存力分析初步研究[D].北京林业大学,野生动植物保护与利用,2013,硕士.
[22]陈海鹏.蒿芩麻杏石甘汤对儿童肺炎支原体感染疗效及IL-10、TNF-α影响的研究[D].北京中医药大学,中医儿科学,2014,硕士.
[23]刘志雄,孙元章,黎雄,张放,赵维兴,刘振盛.一种用于广域电力系统稳定器控制工程的时钟发生器[J].电力系统自动化,2013,06:84-89.
[24]王丽君.分离错误信号驱动和频率信息驱动的错误后减慢效应[D].西南大学,基础心理学,2014,硕士.
[25]晏怀斌.CALIPSO激光雷达水下信号反演大洋叶绿素浓度的探索[D].中国海洋大学,海洋信息探测与处理,2014,硕士.
[26]詹言.重特大生产安全事故行政调查研究[D].中南民族大学,法律,2013,硕士.
[27]李晓燕.《唐诗选国字解》的中日语言文化比较研究[D].首都师范大学,日语语言文学,2014,硕士.
[28]张辉.Bax-抑制肽对新生大鼠缺氧缺血性脑损伤神经细胞保护作用[D].青岛大学,儿科学,2013,硕士.
[29]张文彬.电磁金属探测器的设计[D].天津理工大学,检测技术与自动化装置,2013,硕士.
[30]王立群,王成明.DHCP─—使Internet地址有效利用的协议[J].冶金自动化,1997,02:28-32.
[31]角巴太.《多仁班智达传》研究[D].青海师范大学,中国少数民族语言文学,2012,硕士.
[32]杨飞.基于SSH架构的二本院校办公自动化系统的设计与实现[D].西安电子科技大学,软件工程,2012,硕士.
[33]康静岚.中国环境税法律制度构建的模式选择[D].中国社会科学院研究生院,经济法(专业学位),2014,硕士.
[34]王艳霞.血管紧张素转化酶2(ACE2)在高血糖所致大鼠氧化应激损伤中的作用及其机制[D].南京农业大学,基础兽医学,2011,硕士.
[35]吴晓晖.以格式塔美学理论分析E·B·White译本[D].上海外国语大学,英语语言文学,2013,硕士.
[36]孙名扬,高原,严亚勤,庄卫金,孟勇亮,翟明玉.智能电网调度控制系统集群化技术[J].电力系统自动化,2015,01:31-35.
[37]杨超.我国化工行业上市公司资本结构影响因素的实证研究[D].云南财经大学,会计学,2013,硕士.
[38]宋扬.间充质干细胞与shRNA联合治疗肝损伤的研究[D].吉林大学,生物化学与分子生物学,2013,硕士.
[39]邓伟.双光反馈下垂直腔面发射激光器的双信道混沌同步通信[D].西南大学,信号与信息处理,2014,硕士.
[40]邱进.地方金融对地方经济的促进作用比较研究[D].山东财经大学,金融学,2013,硕士.
[41]李鹏润.美国量化宽松政策对我国股市的溢出效应研究[D].山东财经大学,金融学,2014,硕士.
[42]周晓,朱仁烽,赵锋,方玖琳.基于人工蜂群算法的无线传感器网络路由协议[J].浙江工业大学学报,2014,05:577-580+585.
[43]徐凤霞.唐代长孙家族研究[D].陕西师范大学,中国古代史,2004,硕士.
[44]苗玉娟.论普拉东诺夫《美好而狂暴的世界》中的反讽艺术[D].西北民族大学,比较文学与世界文学,2012,硕士.
[45]邢月.中国古代佛教天王造像身着铠甲造型特征研究[D].新疆师范大学,美术学,2014,硕士.
[46]张宏智.酒精在人体扩散的数学模型及数值模拟[D].内蒙古大学,数学,2013,硕士.
[47]刘楠.运用词块教学法促进高中英语写作教学的行动研究[D].首都师范大学,学科教学,2013,硕士.
[48]栾春武.高中化学基础性晶体知识要点归纳与应用[J].中学生数理化(高二高三版),2015,02:35-36.
[49]王华秋,曹长修,王越.一种快速并行关联规则算法研究及仿真[J].计算机应用研究,2005,07:223-225.
[50]何亚平,费世民,蒋俊明,陈秀明,张旭东,何飞.不同龄级划分方法对种群存活分析的影响——以水灾迹地油松和华山松种群生存分析为例[J].植物生态学报,2008,02:448-455.

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