陽極氧化法制備TiO_2納米管及其在染料敏化太陽能電池和光催化中應(yīng)用

【摘要】：Ti02納米材料由于具有資源豐富、安全無毒、環(huán)境友好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于傳感器、介電材料、自清潔材料、光催化和染料敏化太陽能電池等領(lǐng)域。近年來,Ti02納米管因其具有較大的比表面積和優(yōu)異的一維特性而廣泛應(yīng)用于染料敏化太陽能電池(DSSC)和光催化等領(lǐng)域。陽極氧化法是眾多制備納米管的方法中具有突出優(yōu)勢的一種,其具有成管均勻完整、形貌可控、可大面積制備以及可產(chǎn)生有序陣列等優(yōu)勢。本論文采用陽極氧化法制備Ti02納米管,探索了納米管的生長規(guī)律及可控生長技術(shù),并將生成的納米管應(yīng)用于制備具有高比表面積及快速電子傳輸?shù)腄SSC光陽極。另外,陽極氧化法制備的高比表面積Ti02納米管還被應(yīng)用于改進光催化效率的探索研究。 采用陽極氧化法制備了有序排列Ti02納米管陣列。通過記錄反應(yīng)過程中的電流—時間(I-t)曲線來研究Ti02納米管的生長規(guī)律。并通過記錄不同的反應(yīng)電壓,溫度,攪拌速率下的I-t曲線對納米管的生長機理和生長模式進行了探討。得出如下結(jié)論：增大電壓,升高溫度均有利于提高氧化速度。攪拌速度對氧化速度的影響可歸于溫度對氧化速度的影響。本論文還采用在陽極氧化電解液中加入Cu離子來實現(xiàn)對納米管的Cu摻雜。Cu摻雜的Ti02納米管的制備同樣受電壓,溫度,攪拌速度的調(diào)制,其調(diào)制規(guī)律與未摻雜Ti02納米管的調(diào)制規(guī)律基本一致。 采用陽極氧化法在濺射Ti膜上制備了Ti02納米粟狀莖結(jié)構(gòu),研究了納米粟狀莖結(jié)構(gòu)的形成機理。另外,根據(jù)I-t曲線研究了納米粟狀莖結(jié)構(gòu)的生長規(guī)律及實現(xiàn)其可控生長的條件。最后將納米粟狀莖結(jié)構(gòu)Ti02光陽極應(yīng)用于染料敏化太陽能電池,分析了電池性能隨膜厚的變化,并提出了電池效率的改進方案：改進濺射工藝,增大膜厚和提高濺射膜質(zhì)量。 將陽極氧化制備的Ti02納米管和Ti02納米顆粒(P25)混合,采用刮涂法在導(dǎo)電玻璃襯底上制備了管?；旌夏?并將其應(yīng)用于染料敏化太陽能電池。得到了如下結(jié)果：管?；旌夏せ姵匦蔬_到了4.96%,比純納米粒子膜基電池效率提高了18.6%,并達到了純納米管基電池效率的2.54倍。通過對電池性能的基本參數(shù)的分析表明,管?；旌夏せ姵匦实奶岣呤怯捎谶m量摻入的納米管搭起了從納米粒子到導(dǎo)電基底的電子傳輸橋梁—“電子高速公路”?！半娮痈咚俟贰笨s短了電子傳輸路徑,降低了電子傳輸過程中載流子的復(fù)合幾率,導(dǎo)致了膜內(nèi)電子傳輸阻抗的減小和電子傳輸效率的提高。因而使電池填充因子和總能量轉(zhuǎn)化效率獲得了顯著提高。 在上一個工作的基礎(chǔ)上,利用刮涂法在導(dǎo)電玻璃襯底上制備了納米管／納米顆粒／納米管的三明治結(jié)構(gòu),并將其應(yīng)用于染料敏化太陽能電池。得到了如下結(jié)果：這種具有三明治結(jié)構(gòu)光陽極的DSSC效率達到了6.11%,比相同厚度納米管／納米粒子雙層膜基電池效率提高了27.3%,比納米粒子膜基和納米管膜基電池效率分別提高了46.1%和213%。借助于光吸收數(shù)據(jù),我們探索了具有三明治結(jié)構(gòu)光陽極基DSSC效率提高的原因,主要是由于上下兩層納米管對光的散射增加了光在膜內(nèi)的光程,從而增強了光捕獲效率。光捕獲效率的提高進而導(dǎo)致短路電流的提高和電池總效率的提高。接著,我們采用類似方法制備了納米管／管?；旌希{米管的多層混合結(jié)構(gòu)薄膜并應(yīng)用于染料敏化太陽能電池。與混合結(jié)構(gòu)基和三明治結(jié)構(gòu)基電池相比,這種多層混合膜基電池獲得了更高的電池效率7.17%。結(jié)合光吸收數(shù)據(jù)和前面的工作可證明多層混合膜基電池效率的提高是由于綜合利用了納米管的光散射和高效電子傳輸?shù)墓餐瑑?yōu)勢。 采用溶液浸漬法對陽極氧化制備的TiO2納米管進行了Fe離子包覆摻雜。并研究了未摻雜以及不同含量Fe摻雜的Ti02納米管的光催化效率。實驗表明,進行適量Fe摻雜(Fe-0.1)可以改善Ti02納米管的光催化性能,而過量的Fe摻雜(Fe-0.2)反而會降低催化劑的光催化性能。這是由于適量的Fe離子進入Ti02晶格,引入了電子或空穴的陷阱,從而降低了電子—空穴對復(fù)合機率,延長了載流子壽命,提高了光催化效率。而摻雜Fe過量時,過量的Fe3+會作為載流子復(fù)合中心而存在,從而使電子—空穴復(fù)合幾率大幅度上升,反而大大降低了光催化效率。 【關(guān)鍵詞】：二氧化鈦 納米粒子 納米管 刮涂法 光散射 混合膜 三明治膜 染料敏化太陽能電池 光催化 降解率
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：TB383.1
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-12
• 第一章 緒論12-36
• 1.1 TiO_2的基本性質(zhì)及研究進展12-16
• 1.1.1 TiO_2的基本性質(zhì)12-13
• 1.1.2 TiO_2納米薄膜的制備方法13-15
• 1.1.3 TiO_2納米薄膜的應(yīng)用簡介15-16
• 1.2 TiO_2納米管的性質(zhì)與應(yīng)用16-20
• 1.2.1 TiO_2納米管的制備方法16-18
• 1.2.2 TiO_2納米管的應(yīng)用18-20
• 1.3 染料敏化太陽能電池20-27
• 1.3.1 太陽能電池的發(fā)展及染料敏化太陽能電池的應(yīng)運而生20-21
• 1.3.2 染料敏化太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理21-24
• 1.3.3 染料敏化太陽能電池的性能表征24-26
• 1.3.4 染料敏化太陽能電池的研究進展26-27
• 1.4 光催化介紹27-31
• 1.4.1 光催化應(yīng)用簡介27-28
• 1.4.2 光催化原理28-30
• 1.4.3 光催化劑的修飾與改性30-31
• 1.5 本論文的研究意義及主要內(nèi)容31-32
• 1.6 本章小結(jié)32-33
• 參考文獻33-36
• 第二章 實驗材料與測試方法36-50
• 2.1 實驗材料36-37
• 2.2 主要實驗儀器37
• 2.3 表征方法與測試手段37-47
• 2.3.1 掃描電子顯微鏡(SEM)37-38
• 2.3.2 透射電子顯微鏡(TEM)38
• 2.3.3 X射線衍射(XRD)38-39
• 2.3.4 拉曼光譜(Raman)39-40
• 2.3.5 紫外—可見分光光譜儀40-42
• 2.3.6 電池的性能測試42-45
• 2.3.7 光催化測試45-47
• 2.4 本章小結(jié)47-48
• 參考文獻48-50
• 第三章 陽極氧化法在TI箔上生長有序排列納米管及生長機理研究50-68
• 3.1 實驗工藝和基本參數(shù)50-51
• 3.1.1 實驗材料50
• 3.1.2 TiO_2納米管陣列的制備50-51
• 3.2 結(jié)果與討論51-65
• 3.2.1 TiO_2納米管陣列生長機理51-54
• 3.2.2 TiO_2電極薄膜的形貌分析與結(jié)構(gòu)表征54-56
• 3.2.3 TiO_2納米管陣列生長隨時間變化56-61
• 3.2.4 陽極氧化法制備Cu摻雜納米管61-65
• 3.3 本章小結(jié)65-66
• 參考文獻66-68
• 第四章 陽極氧化法生長TiO_2納米粟狀莖及其在DSSC中的應(yīng)用68-78
• 4.1 實驗工藝和基本參數(shù)68-69
• 4.1.1 實驗材料68
• 4.1.2 TiO_2粟狀莖陣列的制備68-69
• 4.2 結(jié)果與討論69-75
• 4.2.1 TiO_2納米粟狀莖陣列生長機理69-70
• 4.2.2 TiO_2納米粟狀莖的形貌與結(jié)構(gòu)表征70-72
• 4.2.3 TiO_2納米粟狀莖陣列生長電流隨時間變化72-73
• 4.2.4 TiO_2納米粟狀莖陣列的染料敏化太陽能電池測試73-75
• 4.3 本章小結(jié)75-77
• 參考文獻77-78
• 第五章 混合薄膜基染料敏化太陽能電池性能研究78-90
• 5.1 實驗工藝和基本參數(shù)78-80
• 5.1.1 實驗材料78-79
• 5.1.2 TiO_2納米管的制備79
• 5.1.3 TiO_2電極的制備和電池的組裝79
• 5.1.4 膜的形態(tài)與表征79-80
• 5.2 結(jié)果與討論80-86
• 5.2.1 TiO_2電極薄膜的形態(tài)與結(jié)構(gòu)表征80-82
• 5.2.2 TiO_2基電池的光電性能82-84
• 5.2.3 電子傳輸機制分析84-86
• 5.3 本章小結(jié)86-88
• 參考文獻88-90
• 第六章 多層薄膜基染料敏化太陽能電池性能研究90-102
• 6.1 實驗工藝和基本參數(shù)90-92
• 6.1.1 實驗材料90-91
• 6.1.2 TiO_2納米管的制備91
• 6.1.3 TiO_2電極的制備和電池的組裝91-92
• 6.1.4 膜的形態(tài)與表征92
• 6.2 三明治膜的電池性能研究92-95
• 6.2.1 三明治薄膜電極的形態(tài)與結(jié)構(gòu)表征92-93
• 6.2.2 三明治薄膜的電池性能測試93-95
• 6.3 多層混合膜的電池性能研究95-99
• 6.3.1 多層混合膜的形貌與結(jié)構(gòu)表征95-97
• 6.3.2 多層混合膜基染料敏化太陽能電池性能測試97-99
• 6.4 本章小結(jié)99-100
• 參考文獻100-102
• 第七章 光催化102-120
• 7.1 光催化機理介紹102-104
• 7.2 光催化劑的制備過程104
• 7.3 FE摻雜納米管的光催化性能研究104-116
• 7.3.1 Fe-TiO_2納米管的形貌分析104-106
• 7.3.2 Fe-TiO_2納米管的結(jié)構(gòu)與成分分析106-108
• 7.3.3 溫度對光催化性能影響108-109
• 7.3.4 Fe-TiO_2納米管的光催化性能測試109-116
• 7.4 FE摻雜納米管的光催化實驗的干擾排除116-117
• 7.5 本章小結(jié)117-118
• 參考文獻118-120
• 第八章 論文綜述與研究工作展望120-124
• 8.1 論文綜述120-122
• 8.2 研究工作展望122-124
• 在學(xué)期間的研究成果124-126
• 致謝126

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