本文選題：二氧化鈦　切入點(diǎn)：異相結(jié)　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：二氧化鈦(TiO_2)具有穩(wěn)定性好、環(huán)境友好、價(jià)格低等一系列優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能光(電)催化分解水、太陽(yáng)能電池、光催化污染物降解等領(lǐng)域。近年來(lái)大量研究已經(jīng)表明在TiO_2表面進(jìn)行“結(jié)”的構(gòu)建可以顯著提高光轉(zhuǎn)化效率。TiO_2表面“結(jié)”的研究范疇逐漸從肖特基結(jié)、異質(zhì)結(jié)拓展到異相結(jié)、表面無(wú)定型層等,但對(duì)其中“異相結(jié)”、“表面無(wú)定型層”的具體作用機(jī)制眾說(shuō)紛紜,關(guān)鍵是器件制備、機(jī)理研究及性能評(píng)價(jià)等問(wèn)題尚未解決。這一系列問(wèn)題極大地阻礙了本方向的發(fā)展和相關(guān)應(yīng)用。本論文以TiO_2一維納米材料為基本結(jié)構(gòu),研究了TiO_2金紅石/銳鈦礦的異相結(jié)、TiO_2晶相/表面無(wú)定型相等特殊結(jié)構(gòu),并將其用于幾種光電器件的設(shè)計(jì)、制備和應(yīng)用研究。以TiO_2金紅石和銳鈦礦分別為正負(fù)極構(gòu)建了光伏器件,并對(duì)其光伏性能進(jìn)行研究。以水熱合成的一維金紅石納米棒陣列為基底,在其上磁控濺射一層銳鈦礦相,形成銳鈦礦@金紅石的準(zhǔn)同軸納米棒陣列。在銳鈦礦上濺射一層ITO用于收集并導(dǎo)出其中的載流子,利用FTO基底導(dǎo)出金紅石相中的載流子,由此構(gòu)建了異相結(jié)光伏器件。光伏表征的結(jié)果顯示TiO_2單相器件并沒(méi)有表現(xiàn)出光伏響應(yīng),而TiO_2異相結(jié)器件可以產(chǎn)生明顯的光伏效應(yīng):開(kāi)路電壓為0.18 V,短路電流為114μm/cm~2。通過(guò)對(duì)光入射方向、電極極性等因素進(jìn)行調(diào)控,發(fā)現(xiàn)光照條件下光生載流子在金紅石相和銳鈦礦相間發(fā)生定向遷移,遷移方向與測(cè)試條件無(wú)關(guān):光生電子由金紅石相向銳鈦礦相遷移,而光生空穴則由銳鈦礦相向金紅石相遷移。利用電化學(xué)還原法對(duì)一維金紅石納米棒進(jìn)行修飾,得到了TiO_2體相晶態(tài)/表面無(wú)定型層的特殊結(jié)構(gòu)。利用三電極體系,對(duì)合成的金紅石相納米棒陣列電極在-1.6~-3 V偏壓下進(jìn)行電化學(xué)還原,納米棒由白色轉(zhuǎn)為灰色。高分辨透射電鏡表征結(jié)果顯示還原后納米棒表面形成一層無(wú)定型層,無(wú)定型層的厚度隨還原電壓降低而增加。光電化學(xué)表征結(jié)果顯示,具有無(wú)定型層的電極的光電流較處理前顯著提高:TiO_2電極在-1.8 V下還原0.5 s后光電流便明顯增加,還原2 s后光電流增加到未處理電極的2.2倍,并在長(zhǎng)達(dá)5 h的持續(xù)光照下保持穩(wěn)定。對(duì)還原后電極進(jìn)行的一系列光電化學(xué)及電化學(xué)表征結(jié)果顯示,表面無(wú)定型層可以促進(jìn)光生載流子的遷移并促進(jìn)水氧化反應(yīng)的進(jìn)行。構(gòu)建了TiO_2銳鈦礦/金紅石相的異相結(jié)光伏器件,并將其用作自驅(qū)動(dòng)的紫外探測(cè)器。研究發(fā)現(xiàn)在紫外光照射下,異相結(jié)光伏器件的短路電流達(dá)到1.7m A/cm~2,即實(shí)現(xiàn)了在無(wú)外加偏壓時(shí)自驅(qū)動(dòng)光生載流子分離,從而在外電路中產(chǎn)生了光響應(yīng)信號(hào)。在385 nm紫外光下,異相結(jié)器件的光響應(yīng)可達(dá)到0.085A/W,該值高于大多數(shù)同類(lèi)器件。在不同波長(zhǎng)光照下對(duì)異相結(jié)器件的測(cè)試結(jié)果顯示,其吸收帶邊位于410 nm,具有優(yōu)異的日盲性。通過(guò)對(duì)入射光頻率進(jìn)行調(diào)制,測(cè)到異相結(jié)器件的響應(yīng)時(shí)間約為4μs,顯示其可應(yīng)用于紫外光的超快檢測(cè)。此外,本文也將具有表面無(wú)定型層的金紅石納米棒陣列應(yīng)用于構(gòu)建光電化學(xué)紫外探測(cè)器。利用具有表面無(wú)定型層的TiO_2光陽(yáng)極、Pt對(duì)電極、I-/I3-電解液,制備了三明治結(jié)構(gòu)的光電化學(xué)紫外探測(cè)器。結(jié)果顯示表面無(wú)定型層能促進(jìn)光生載流子分離,提高光生電子壽命,進(jìn)而縮短探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間,使紫外探測(cè)器的光轉(zhuǎn)化效率明顯提高——具有表面無(wú)定型層的器件,在380nm波長(zhǎng)的紫外光照下,入射光子到電子的轉(zhuǎn)化效率由10%增加到23%。
[Abstract]:This paper deals with the development and application of TiO _ 2 single - phase nano - rods . The results show that TiO _ 2 single - phase devices do not exhibit photovoltaic effect .

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TQ134.11

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本文編號(hào)：1699809