二氧化钛复合纳米结构的制备及其应用研究

发布时间：2017-10-02 12:23

  本文关键词：二氧化钛复合纳米结构的制备及其应用研究

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【摘要】：二氧化钛(TiO2)作为宽禁带的半导体材料,以其独特的光催化性能和光电性能已经成为目前能源与环境领域的研究热点之一。具有高比表面积的三维TiO2纳米材料,如纳米花,纳米球及纳米树等,相对于低维的TiO2纳米材料具有更为优异的光催化和光电性能,而TiO2的结构和比表面积很大程度上影响了它的性能。因此,优化三维TiO2纳米结构具有深远的意义。本论文着重介绍了几种连续生长的TiO2三维纳米结构的设计与制备,并将其应用于光催化及染料敏化太阳能电池(DSSC)等领域。论文的研究工作如下：通过调控水热反应条件合成了多种新型的TiO2纳米结构。包括TiO2多孔膜结构、TiO2纳米柱阵列、TiO2空心球结构和TiO2松塔结构等。对这些结构的表面形貌进行了表征,对其生长机理进行了分析,并对其未来的应用前景进行了展望,这些材料的成功制备也为后续三维TiO2纳米结构材料的调控和合成打下了基础。以一维的TiO2纳米带为支架,成功制备了TiO2纳米花带(TiO2 NFC)结构,为了深入研究TiO2 NFC的生长机理,对制备过程中TiO2纳米带添加量、盐酸和水的比例、反应时间及反应温度进行了调控。一方面,将其应用于光催化领域,光催化降解有机污染物甲基橙的实验表明,相比于商业化P25,由于纳米花带特殊的电子传输通道、高比率暴露的(001)晶面以及锐钛矿的晶型结构,使其呈现出优异的降解速率；另一方面,将其应用于染料敏化太阳能电池,将比表面积较小的TiO2 NFC(21m2/g)和P25进行物理混合以制备出不同质量混合比例(NFC:P25=0:10；1'9；3:7；5：5；7：3；9：1；10：0)的复合光阳极材料。结果表明,5：5的复合光阳极电池呈现出最高的光电转换效率(6.38%)。适量的优异导电性能的TiO2 NFC的加入有助于电子的传输,减少了界面的复合；同时3D纳米结构增强了光的散射,从而增加了光电子的数量,提高了短路电流。设计并制备一种兼具优异的电子传输性能和大比表面积(191m2/g)的三维Ti02串球结构(TiO2 HSN),将其应用于光催化和染料敏化太阳能电池。一方面,相比于商业化P25,TiO2 HSN因其大的比表面积,优异的电子传输性能以及(001)高能面的暴露,呈现出更好的光催化性能。另一方面,分别将TiO2 HSN作为光阳极膜的散射层和吸收层制备双层和单层DSSC器件。首先,TiO2 HSN作为散射层材料(P25作为吸收层)不仅起到了光散射作用,同时也吸附了更多的染料,因而提高了电池的效率；其次TiO2 HSN-DSSC增强的光电转换效率主要源于其良好的晶化、大的比表面积、好的电子传输性能以及增强的光散射效应。采用水热合成法进一步设计制备了Ag/TiO2核壳异质结构(AWT)。对不同的生长时间、反应温度及反应添加物进行了系统的研究。一方面,光催化结果表明：与P25相比,AWT呈现出更好的光催化性能,这主要源于AWT快速的电子传输能力以及Ag/TiO2异质结构的肖特基势垒效应。另一方面,将合成的Ag/TiO2的复合纳米材料按照不同的质量百分比(0%,0.5%,1%,5%,10%,20%)与P25进行物理混合制备DSSC光阳极膜,讨论了AWT含量对Ⅰ-Ⅴ性能的影响。研究表明：少量的AWT(小于5%)的加入能够增强复合电极DSSC的效率,而过量的AWT的加入反而降低了其光电性能,其中5% AWT的引入呈现出最强的光电转换效率。
【关键词】：TiO_2纳米花带 光催化 染料敏化太阳能电池 TiO_2纳米串球 Ag/TiO_2核壳异质结构
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-18
• 第1章 绪论18-43
• 1.1 课题的研究背景和意义18-19
• 1.2 纳米TiO_2的性质19-24
• 1.2.1 纳米材料特性19-20
• 1.2.2 TiO_2的物理化学性质20
• 1.2.3 TiO_2的晶体结构20-22
• 1.2.4 TiO_2的能带结构22-23
• 1.2.5 纳米TiO_2的光学性质23
• 1.2.6 纳米TiO_2的热力学性质23-24
• 1.3 TiO_2纳米材料的制备方法24-28
• 1.3.1 溶胶凝胶技术24-25
• 1.3.2 正/反相胶束法25
• 1.3.3 水热法和溶剂热法25-26
• 1.3.4 电沉积法26-27
• 1.3.5 静电纺丝法27-28
• 1.4 TiO_2在光催化领域的应用28-34
• 1.4.1 TiO_2纳米材料在光催化领域的应用28-29
• 1.4.2 半导体能带理论和表面催化原理29
• 1.4.3 TiO_2光催化的基本过程29-31
• 1.4.4 提高TiO_2光催化活性的方法31-34
• 1.5 TiO_2纳米材料在染料敏化太阳能电池中的应用34-40
• 1.5.1 染料敏化太阳能电池的工作原理34-36
• 1.5.2 染料敏化太阳能电池的研究进展36-40
• 1.5.3 染料敏化太阳能电池的研究方向和发展前景40
• 1.6 本论文的选题意义和研究内容40-43
• 第2章 实验测试与表征43-54
• 2.1 实验所需的材料、试剂和设备43-45
• 2.2 染料敏化太阳能电池(DSSC)的制备45-47
• 2.2.1 FTO导电基底的准备45
• 2.2.2 光阳极浆料的制备45
• 2.2.3 光阳极的制备与敏化45-46
• 2.2.4 对电极的制备46
• 2.2.5 电池的封装46-47
• 2.2.6 电解液的注入47
• 2.3 复合材料的表征47-49
• 2.3.1 X射线衍射分析(XRD)47
• 2.3.2 扫描电子显微镜(SEM)47-48
• 2.3.3 透射电子显微镜(TEM)48
• 2.3.4 X射线能量分散光谱(EDS)48-49
• 2.3.5 比表面积(BET)的测定49
• 2.4 复合材料和器件的性能测试和表征49-54
• 2.4.1 材料的光吸收和光反射测定49
• 2.4.2 复合材料的光催化活性测定49-50
• 2.4.3 光电化学特性测试(Ⅰ-Ⅴ)50-52
• 2.4.4 入射单色光子-电子转化效率(IPCE)52
• 2.4.5 电化学阻抗谱(EIS)52-54
• 第3章 TiO_2微纳结构的制备和表征54-62
• 3.1 引言54
• 3.2 TiO_2多孔膜的制备和表征54-55
• 3.2.1 TiO_2多孔膜的制备54-55
• 3.2.2 SEM表征和潜在应用55
• 3.3 TiO_2纳米柱阵列的制备和表征55-57
• 3.3.1 TiO_2纳米柱阵列的制备55-56
• 3.3.2 TiO_2纳米柱阵列形貌表征56-57
• 3.4 TiO_2微米空心球的制备和表征57-58
• 3.4.1 TiO_2微米空心球结构的制备57
• 3.4.2 TiO_2微米空心球形貌表征57-58
• 3.5 TiO_2连续松塔结构的制备、表征和应用58-61
• 3.5.1 三维结构生长支架(TiO_2纳米带)的制备58
• 3.5.2 TiO_2连续松塔结构的制备58
• 3.5.3 光催化降解甲基橙的对比实验58-59
• 3.5.4 形貌研究与性能分析59-61
• 3.6 本章小结61-62
• 第4章 分级TiO_2纳米花带的合成及应用62-79
• 4.1 引言62
• 4.2 材料制备及性能测试实验62-64
• 4.2.1 水热合成分级TiO_2纳米花带(TiO_2 NFC)62-63
• 4.2.2 光催化甲基橙的对比实验63
• 4.2.3 染料敏化太阳能电池的制备63-64
• 4.3 TiO_2NFC的表面形貌和物理性能64-66
• 4.3.1 TiO_2纳米带及TiO_2NFC的扫描电镜图64-65
• 4.3.2 TiO_2NFC的透射电镜及XRD分析65-66
• 4.3.3 比表面积和孔分布研究66
• 4.4 TiO_2NFC的生长机理66-70
• 4.4.1 TiO_2纳米带的添加对NFC生长的影响67
• 4.4.2 钛酸四正丁酯的添加量对TiO_2NFC的合成的影响机制67-68
• 4.4.3 反应时间对TiO_2NFC合成的影响68-70
• 4.5 光催化实验结果分析70-71
• 4.6 光电性能结果分析71-77
• 4.7 本章小结77-79
• 第5章 TiO_2串球结构的合成及应用79-102
• 5.1 引言79-80
• 5.2 三维TiO_2成串球结构(TiO_2 HSN)的制备和性能测试实验80-82
• 5.2.1 TiO_2 HSN的制备80
• 5.2.2 光催化甲基橙的对比实验80-81
• 5.2.3 光电性能实验81-82
• 5.3 TiO_2 HSN的表面形貌和物理性能82-86
• 5.3.1 TiO_2 HSN形貌的研究82-84
• 5.3.2 TiO_2 HSN相结构的研究84-85
• 5.3.3 比表面积和孔分布研究85-86
• 5.4 TiO_2 HSN的生长机理86-89
• 5.4.1 水热反应时间对TiO_2 HSN材料合成的影响86-88
• 5.4.2 水热反应过程中TiO_2 纳米带、TBOT及AgNO_3的影响研究88-89
• 5.5 光催化降解甲基橙实验结果分析89-90
• 5.6 TiO_2 HSN作为光散射层材料的染料敏化太阳能电池性能研究90-96
• 5.7 TiO_2 HSN作为单一光阳极材料的染料敏化太阳能电池性能研究96-100
• 5.8 本章小结100-102
• 第6章 Ag/TiO_2异质结构的制备及其应用研究102-118
• 6.1 引言102-103
• 6.2 Ag/TiO_2异质结构(AWT)的制备及性能测试实验103-105
• 6.2.1 三维Ag/TiO_2复合结构的制备103
• 6.2.2 光催化甲基橙的对比实验103
• 6.2.3 染料敏化太阳能电池的制备103-104
• 6.2.4 光阳极膜染料的解吸附实验104-105
• 6.3 Ag/TiO_2复合结构表面形貌的研究105-107
• 6.4 Ag/TiO_2复合结构形成机理107-110
• 6.4.1 水热反应过程中Ti(OBu)_4的添加量的影响107-108
• 6.4.2 水热反应时间对AWT材料合成的影响108-109
• 6.4.3 水热反应温度对AWT材料合成的影响109-110
• 6.5 光催化降解甲基橙实验结果分析110-111
• 6.6 光电性能实验结果分析111-116
• 6.7 本章小结116-118
• 第7章 结论与展望118-120
• 7.1 论文的主要工作和结论118-119
• 7.2 本文取得了以下创新性工作119
• 7.3 后续需要进一步开展的工作119-120
• 参考文献120-136
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果136-138
• 攻读博士学位期间参加的科研工作138-139
• 致谢139-140
• 作者简介140

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

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2 杨玉娇;王啸;王刚;林红;;水热法制备大比表面积二氧化钛纳米片空心微球[J];硅酸盐学报;2014年10期

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 周伟家;一维半导体纳米材料的表面异质结构构建与性能调控[D];山东大学;2012年

2 曹慧敏;二氧化钛基复合材料的制备及电化学与光电性能研究[D];华东理工大学;2012年

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本文编号：959602