CdS/Na_2Ti_3O_7、CdS/TiO_2纳米线的制备及其性能研究

【摘要】由于近年来全球气候的异常以及全国经济发展而消耗大量石油燃料，全球变暖与能源危机成为亟待解决的问题，因此，可再生能源技术的开发成为当前能源产业的发展趋势。绿色可再生能源之中，具有诸多优点的太阳能电池的发展受到极大瞩目。二氧化钛（TiO2）及其钛酸盐由于其价廉、无毒和抗光腐蚀等优良的物理化学性能，在光伏设备及光催化领域有着广泛的应用。在制备TiO2的方法中，以钛酸盐为前驱物制备TiO2因其简单的制备工艺而受到关注。在众多钛酸盐中钛酸钠（Na2Ti3O7）因其特殊的层状结构，具有极强的离子交换能力而备受关注。然而由于Na2Ti3O7及TiO2较宽的带隙，使得它们的光吸收范围限制在紫外光区，从而难以有效的利用太阳光。为了扩展到可见光区，人们尝试了许多方法，例如，掺杂金属元素，染料敏化，和最近收到广泛关注的量子点敏化。硫化镉（CdS）作为一种常见的窄禁带（2.25eV)半导体，用其敏化Na2Ti3O7和TiO2纳米线能够有效提高光电极对太阳光的利用效率。本论文我们首先采用水热法以钛酸四丁酯为前驱物制备了Na2Ti3O7纳米线，利用FESEM、XRD等手段对样品进行了表征，结果表明Na2Ti3O7纳米线长度约为5μm到30μm，平均直径约为100nm。然后我们采用连续离子层吸附（SILAR）的方法成功的将CdS颗粒沉积生长到了Na2Ti3O7纳米线表面，获得了CdS/Na2Ti3O7纳米线。以罗丹明B作为有机染料，在可见光条件下对CdS/Na2Ti3O7纳米线的光催化性质进行了研究，结果表明单纯Na2Ti3O7纳米线对罗丹明B几乎没有光催化活性，而CdS的引入大大提高了Na2Ti3O7纳米线的光催化性能，且随着CdS沉积圈数的增加，样品的光降解速率明显提升。在CdS沉积圈数为5时，经过120min后罗丹明B被降解了约99%。为了研究样品的光电化学特性，我们采用丝网印刷的方法将CdS/Na2Ti3O7纳米线印刷到了FTO上，印刷面积为1cm2，采用梯度升温法对样品进行高温烧结，之后对其光电化学性能进行了测试。研究结果显示，随着CdS沉积圈数的增加，其光电化学性能呈现先增大后减小的规律。在沉积5圈CdS时，CdS/Na2Ti3O7的光电流密度达到最大值为0.43mA/cm2，此时的光电转换效率为0.288%。对Na2Ti3O7纳米线进行盐酸清洗并经过600oC空气中退火后得到了TiO2纳米线，利用FESEM对样品的形貌进行表征后发现，与Na2Ti3O7纳米线相比，TiO2纳米线的直径变宽，平均直径约为200nm左右。经过XRD的测试后发现，TiO2纳米线的结晶性较Na2Ti3O7纳米线明显变好。之后我们采用SILAR法获得了CdS/TiO2纳米线，并对CdS/TiO2纳米线的光催化活性和光电特性进行了研究，方法与CdS/Na2Ti3O7相同。结果表明，CdS的引入对TiO2纳米线的光催化活性和光电特性的提高有很大帮助，其原因是此时TiO2纳米线与CdS量子点之间的形成了异质结。对CdS/TiO2的光催化性能的研究结果显示，在沉积5圈CdS时其光催化性能达到最佳效果，经过80min后，罗丹明B被降解了约99.5%。我们对沉积了1-6圈的CdS/TiO2纳米线的光电性能进行了测试，结果表明，CdS沉积圈数为5时，其光电流密度达到最大值为1.54mA/cm2，此时的光电转换效率为0.85%。另外，我们对沉积5圈CdS时印刷不同面积的CdS/TiO2纳米线的光电特性进行了研究，得到如下结论，在印刷面积较小约为1cm2时，CdS/TiO2纳米线具有较高的光电流密度（1.54mA/cm2）和光电转换效率（0.85%）；随着印刷面积的增大，CdS/TiO2纳米线的光电流密度和光电转换效率都明显降低，当印刷面积增大到9cm2时，其光电流密度和光电转换效率下降为0.97mA/cm2和0.25%。
【作者】李梅静；
【导师】付乌有；
【作者基本信息】吉林大学，凝聚态物理，2014，硕士
【关键词】Na2Ti3O7；TiO2；CdS；丝网印刷；光电化学性质；光催化性质；

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