非晶二氧化钛光存储电子的性能及应用研究

发布时间：2020-03-21 10:29

【摘要】：随着能源的不断消耗,而人们对能源的需求不断的增加,在此两难之际,人们开始着眼于储量最大的太阳能。由于太阳能无法直接运用于生产,因此必须将太阳能转化为其他形式的能量,如太阳能电池将太阳能转化为电能,半导体光催化技术将太阳能转化为化学能等。在太阳能的转化过程中往往需要涉及光生载流子的产生及定向传输,尤其是在光催化过程中需要将光生电子与光生空穴分离,进而参与不同的反应。因此在太阳能的利用过程中,光生载流子扮演着能量转化的“中间体”,在太阳能转化为其他能量的过程中具有重要的作用。近来,研究者开始关注光生载流子的存储,尤其是光生电子的存储。通过将光生电子暂时存储在材料体系中,然后再利用所存储的光电子进行一系列的化学还原反应。通过将光生电子暂时存储在材料体系中可以避免逆反应的发生,而且后续反应无须光的激发,从而拓展了太阳能转化应用的范围。在光存储电子材料的研究中,已经发现了杂多酸(HPA)、纳米量子尺寸金属氧化物(TiO_2、ZnO等)及非晶氧化物等材料具有光存储电子的性能。并且在研究过程中发现,当材料在光存储电子之后将表现出三个明显的特征:第一,具有光存储电子的液体为蓝色;第二,液体在400-800nm波段有明显的吸收峰;第三,能通过ESR检测出光存储电子的活性位点。根据上述的三个特征,我们发现非晶TiO_2具有光存储电子的性能。并以非晶TiO_2为研究对象,对其光存储电子的性能及在H_2的制备和肉桂醛的氢化应用展开了系列研究,主要的研究成果如下:(1)我们以乙二醇钛(TG)为前驱体,在紫外光激发下制备了具有多孔结构的非晶TiO_2。以乙二醇为空穴捕获剂时,发现非晶TiO_2在无氧条件下光照具备存储电子的能力。通过以K_2Cr_2O_7溶液为滴定剂,测量了20mg的TiO_2光照1h所存储的光电子为22.6μmol。而且研究发现,在选择不同醇做空穴捕获剂时,乙二醇为空穴捕获剂时光存储的电子对多。(2)在研究过程中发现,为了稳定光存储的电子,非晶TiO_2在光存储电子的同时吸附了质子,而且这些质子在MoS_2的催化作用下能够通过质子电子耦合的方式转移到MoS_2的表面后产生氢气,其中光电子转化为H_2的转化率高达80%,而且随着光存储电子量的增加产氢量线形增加。(3)在纯乙醇中光存储电子能够将肉桂醛还原为苯丙醛,同时肉桂醛的转化率高达94.7%,光电子的转化率为72.3%。而且在溶剂中加入水后还原的产物将有肉桂醇出现,在加入KOH后可以加速肉桂醛被还原的速率,同时也能提高肉桂醇的选择性。
【图文】：

示意图,钙钛矿,载流子,电池

第一章绪论太阳能利用近年来，由于环境及能源问题日益凸显，人们对新能源做了大量的研、风能、核能、氢能、生物质能、水能等引起了人们的广泛关注。太阳储量丰富、清洁无污染等优点而成为人们关注的焦点，据统计，太阳每辐射的能量约 3 1024焦耳，而人类一年的能源消耗量仅为太阳能的万换言之，只要利用地面上 0.1%的太阳能就能满足全球能源一年的消耗阳能转化为电的形式研究非常广泛，通常表现为两种形式，其一是将太为电能，即太阳能电池[1-3]；其二是将太阳能转化为载流子的形式（光生生空穴），然后将光生载流子利用到化学反应过程中转化为化学能，，即催化技术[4-7]。

示意图,有机污染物降解,固氮,水产

非晶二氧化钛光存储电子的性能及应用研究众所周知，太阳能电池是利用半导体的光生伏特效应将太阳能转化为电能的一种器件。半导体 P-N 结在太阳光的照射下，形成空穴-电子对，在 P-N 结电场作用下，空穴由 N 区流向 P 区，与此同时，电子由 P 区流向 N 区，接通外电路后形成电流。自 1839 年法国 Becquerel 通过实验发现光能转化为电开始，太阳能电池的发展已经有近 200 年的历史，在这期间，太阳能电池主要经历了三代的发展，第一代是晶体硅太阳能电池[8,9]；第二代是多元化薄膜太阳能电池[10-13]；第三代是有机-无机杂化薄膜太阳能电池[14-18]。在太阳能电池的发展中，钙钛矿太阳能电池的光电转化效率从2009年Kojima[19]报道的3.8%快速发展到2017年Saliba的 21%[20]，这与钙钛矿太阳能电池的结构是分不开的。钙钛矿太阳能电池的结构如图 1.1 所示，主要由导电玻璃、CH3NH3PbI3吸收层、电子传输层、空穴传导层及金属电极等组成。通过精细的结构设计，使得光生载流子沿各自方向定向流动，流经外电路形成电流，光能转化为电能[21]。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ134.11

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