發(fā)布時(shí)間：2017-10-02 12:23

  本文關(guān)鍵詞：二氧化鈦復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的制備及其應(yīng)用研究

  更多相關(guān)文章： TiO_2納米花帶 光催化 染料敏化太陽(yáng)能電池 TiO_2納米串球 Ag/TiO_2核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)

【摘要】：二氧化鈦(TiO2)作為寬禁帶的半導(dǎo)體材料,以其獨(dú)特的光催化性能和光電性能已經(jīng)成為目前能源與環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。具有高比表面積的三維TiO2納米材料,如納米花,納米球及納米樹等,相對(duì)于低維的TiO2納米材料具有更為優(yōu)異的光催化和光電性能,而TiO2的結(jié)構(gòu)和比表面積很大程度上影響了它的性能。因此,優(yōu)化三維TiO2納米結(jié)構(gòu)具有深遠(yuǎn)的意義。本論文著重介紹了幾種連續(xù)生長(zhǎng)的TiO2三維納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制備,并將其應(yīng)用于光催化及染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)等領(lǐng)域。論文的研究工作如下：通過調(diào)控水熱反應(yīng)條件合成了多種新型的TiO2納米結(jié)構(gòu)。包括TiO2多孔膜結(jié)構(gòu)、TiO2納米柱陣列、TiO2空心球結(jié)構(gòu)和TiO2松塔結(jié)構(gòu)等。對(duì)這些結(jié)構(gòu)的表面形貌進(jìn)行了表征,對(duì)其生長(zhǎng)機(jī)理進(jìn)行了分析,并對(duì)其未來(lái)的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望,這些材料的成功制備也為后續(xù)三維TiO2納米結(jié)構(gòu)材料的調(diào)控和合成打下了基礎(chǔ)。以一維的TiO2納米帶為支架,成功制備了TiO2納米花帶(TiO2 NFC)結(jié)構(gòu),為了深入研究TiO2 NFC的生長(zhǎng)機(jī)理,對(duì)制備過程中TiO2納米帶添加量、鹽酸和水的比例、反應(yīng)時(shí)間及反應(yīng)溫度進(jìn)行了調(diào)控。一方面,將其應(yīng)用于光催化領(lǐng)域,光催化降解有機(jī)污染物甲基橙的實(shí)驗(yàn)表明,相比于商業(yè)化P25,由于納米花帶特殊的電子傳輸通道、高比率暴露的(001)晶面以及銳鈦礦的晶型結(jié)構(gòu),使其呈現(xiàn)出優(yōu)異的降解速率；另一方面,將其應(yīng)用于染料敏化太陽(yáng)能電池,將比表面積較小的TiO2 NFC(21m2/g)和P25進(jìn)行物理混合以制備出不同質(zhì)量混合比例(NFC:P25=0:10；1'9；3:7；5：5；7：3；9：1；10：0)的復(fù)合光陽(yáng)極材料。結(jié)果表明,5：5的復(fù)合光陽(yáng)極電池呈現(xiàn)出最高的光電轉(zhuǎn)換效率(6.38%)。適量的優(yōu)異導(dǎo)電性能的TiO2 NFC的加入有助于電子的傳輸,減少了界面的復(fù)合；同時(shí)3D納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了光的散射,從而增加了光電子的數(shù)量,提高了短路電流。設(shè)計(jì)并制備一種兼具優(yōu)異的電子傳輸性能和大比表面積(191m2/g)的三維Ti02串球結(jié)構(gòu)(TiO2 HSN),將其應(yīng)用于光催化和染料敏化太陽(yáng)能電池。一方面,相比于商業(yè)化P25,TiO2 HSN因其大的比表面積,優(yōu)異的電子傳輸性能以及(001)高能面的暴露,呈現(xiàn)出更好的光催化性能。另一方面,分別將TiO2 HSN作為光陽(yáng)極膜的散射層和吸收層制備雙層和單層DSSC器件。首先,TiO2 HSN作為散射層材料(P25作為吸收層)不僅起到了光散射作用,同時(shí)也吸附了更多的染料,因而提高了電池的效率；其次TiO2 HSN-DSSC增強(qiáng)的光電轉(zhuǎn)換效率主要源于其良好的晶化、大的比表面積、好的電子傳輸性能以及增強(qiáng)的光散射效應(yīng)。采用水熱合成法進(jìn)一步設(shè)計(jì)制備了Ag/TiO2核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)(AWT)。對(duì)不同的生長(zhǎng)時(shí)間、反應(yīng)溫度及反應(yīng)添加物進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。一方面,光催化結(jié)果表明：與P25相比,AWT呈現(xiàn)出更好的光催化性能,這主要源于AWT快速的電子傳輸能力以及Ag/TiO2異質(zhì)結(jié)構(gòu)的肖特基勢(shì)壘效應(yīng)。另一方面,將合成的Ag/TiO2的復(fù)合納米材料按照不同的質(zhì)量百分比(0%,0.5%,1%,5%,10%,20%)與P25進(jìn)行物理混合制備DSSC光陽(yáng)極膜,討論了AWT含量對(duì)Ⅰ-Ⅴ性能的影響。研究表明：少量的AWT(小于5%)的加入能夠增強(qiáng)復(fù)合電極DSSC的效率,而過量的AWT的加入反而降低了其光電性能,其中5% AWT的引入呈現(xiàn)出最強(qiáng)的光電轉(zhuǎn)換效率。
【關(guān)鍵詞】：TiO_2納米花帶 光催化 染料敏化太陽(yáng)能電池 TiO_2納米串球 Ag/TiO_2核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TB383.1
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-18
• 第1章 緒論18-43
• 1.1 課題的研究背景和意義18-19
• 1.2 納米TiO_2的性質(zhì)19-24
• 1.2.1 納米材料特性19-20
• 1.2.2 TiO_2的物理化學(xué)性質(zhì)20
• 1.2.3 TiO_2的晶體結(jié)構(gòu)20-22
• 1.2.4 TiO_2的能帶結(jié)構(gòu)22-23
• 1.2.5 納米TiO_2的光學(xué)性質(zhì)23
• 1.2.6 納米TiO_2的熱力學(xué)性質(zhì)23-24
• 1.3 TiO_2納米材料的制備方法24-28
• 1.3.1 溶膠凝膠技術(shù)24-25
• 1.3.2 正/反相膠束法25
• 1.3.3 水熱法和溶劑熱法25-26
• 1.3.4 電沉積法26-27
• 1.3.5 靜電紡絲法27-28
• 1.4 TiO_2在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用28-34
• 1.4.1 TiO_2納米材料在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用28-29
• 1.4.2 半導(dǎo)體能帶理論和表面催化原理29
• 1.4.3 TiO_2光催化的基本過程29-31
• 1.4.4 提高TiO_2光催化活性的方法31-34
• 1.5 TiO_2納米材料在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用34-40
• 1.5.1 染料敏化太陽(yáng)能電池的工作原理34-36
• 1.5.2 染料敏化太陽(yáng)能電池的研究進(jìn)展36-40
• 1.5.3 染料敏化太陽(yáng)能電池的研究方向和發(fā)展前景40
• 1.6 本論文的選題意義和研究?jī)?nèi)容40-43
• 第2章 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與表征43-54
• 2.1 實(shí)驗(yàn)所需的材料、試劑和設(shè)備43-45
• 2.2 染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)的制備45-47
• 2.2.1 FTO導(dǎo)電基底的準(zhǔn)備45
• 2.2.2 光陽(yáng)極漿料的制備45
• 2.2.3 光陽(yáng)極的制備與敏化45-46
• 2.2.4 對(duì)電極的制備46
• 2.2.5 電池的封裝46-47
• 2.2.6 電解液的注入47
• 2.3 復(fù)合材料的表征47-49
• 2.3.1 X射線衍射分析(XRD)47
• 2.3.2 掃描電子顯微鏡(SEM)47-48
• 2.3.3 透射電子顯微鏡(TEM)48
• 2.3.4 X射線能量分散光譜(EDS)48-49
• 2.3.5 比表面積(BET)的測(cè)定49
• 2.4 復(fù)合材料和器件的性能測(cè)試和表征49-54
• 2.4.1 材料的光吸收和光反射測(cè)定49
• 2.4.2 復(fù)合材料的光催化活性測(cè)定49-50
• 2.4.3 光電化學(xué)特性測(cè)試(Ⅰ-Ⅴ)50-52
• 2.4.4 入射單色光子-電子轉(zhuǎn)化效率(IPCE)52
• 2.4.5 電化學(xué)阻抗譜(EIS)52-54
• 第3章 TiO_2微納結(jié)構(gòu)的制備和表征54-62
• 3.1 引言54
• 3.2 TiO_2多孔膜的制備和表征54-55
• 3.2.1 TiO_2多孔膜的制備54-55
• 3.2.2 SEM表征和潛在應(yīng)用55
• 3.3 TiO_2納米柱陣列的制備和表征55-57
• 3.3.1 TiO_2納米柱陣列的制備55-56
• 3.3.2 TiO_2納米柱陣列形貌表征56-57
• 3.4 TiO_2微米空心球的制備和表征57-58
• 3.4.1 TiO_2微米空心球結(jié)構(gòu)的制備57
• 3.4.2 TiO_2微米空心球形貌表征57-58
• 3.5 TiO_2連續(xù)松塔結(jié)構(gòu)的制備、表征和應(yīng)用58-61
• 3.5.1 三維結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)支架(TiO_2納米帶)的制備58
• 3.5.2 TiO_2連續(xù)松塔結(jié)構(gòu)的制備58
• 3.5.3 光催化降解甲基橙的對(duì)比實(shí)驗(yàn)58-59
• 3.5.4 形貌研究與性能分析59-61
• 3.6 本章小結(jié)61-62
• 第4章 分級(jí)TiO_2納米花帶的合成及應(yīng)用62-79
• 4.1 引言62
• 4.2 材料制備及性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)62-64
• 4.2.1 水熱合成分級(jí)TiO_2納米花帶(TiO_2 NFC)62-63
• 4.2.2 光催化甲基橙的對(duì)比實(shí)驗(yàn)63
• 4.2.3 染料敏化太陽(yáng)能電池的制備63-64
• 4.3 TiO_2NFC的表面形貌和物理性能64-66
• 4.3.1 TiO_2納米帶及TiO_2NFC的掃描電鏡圖64-65
• 4.3.2 TiO_2NFC的透射電鏡及XRD分析65-66
• 4.3.3 比表面積和孔分布研究66
• 4.4 TiO_2NFC的生長(zhǎng)機(jī)理66-70
• 4.4.1 TiO_2納米帶的添加對(duì)NFC生長(zhǎng)的影響67
• 4.4.2 鈦酸四正丁酯的添加量對(duì)TiO_2NFC的合成的影響機(jī)制67-68
• 4.4.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)TiO_2NFC合成的影響68-70
• 4.5 光催化實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析70-71
• 4.6 光電性能結(jié)果分析71-77
• 4.7 本章小結(jié)77-79
• 第5章 TiO_2串球結(jié)構(gòu)的合成及應(yīng)用79-102
• 5.1 引言79-80
• 5.2 三維TiO_2成串球結(jié)構(gòu)(TiO_2 HSN)的制備和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)80-82
• 5.2.1 TiO_2 HSN的制備80
• 5.2.2 光催化甲基橙的對(duì)比實(shí)驗(yàn)80-81
• 5.2.3 光電性能實(shí)驗(yàn)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相結(jié)構(gòu)的研究84-85
• 5.3.3 比表面積和孔分布研究85-86
• 5.4 TiO_2 HSN的生長(zhǎng)機(jī)理86-89
• 5.4.1 水熱反應(yīng)時(shí)間對(duì)TiO_2 HSN材料合成的影響86-88
• 5.4.2 水熱反應(yīng)過程中TiO_2 納米帶、TBOT及AgNO_3的影響研究88-89
• 5.5 光催化降解甲基橙實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析89-90
• 5.6 TiO_2 HSN作為光散射層材料的染料敏化太陽(yáng)能電池性能研究90-96
• 5.7 TiO_2 HSN作為單一光陽(yáng)極材料的染料敏化太陽(yáng)能電池性能研究96-100
• 5.8 本章小結(jié)100-102
• 第6章 Ag/TiO_2異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備及其應(yīng)用研究102-118
• 6.1 引言102-103
• 6.2 Ag/TiO_2異質(zhì)結(jié)構(gòu)(AWT)的制備及性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)103-105
• 6.2.1 三維Ag/TiO_2復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備103
• 6.2.2 光催化甲基橙的對(duì)比實(shí)驗(yàn)103
• 6.2.3 染料敏化太陽(yáng)能電池的制備103-104
• 6.2.4 光陽(yáng)極膜染料的解吸附實(shí)驗(yàn)104-105
• 6.3 Ag/TiO_2復(fù)合結(jié)構(gòu)表面形貌的研究105-107
• 6.4 Ag/TiO_2復(fù)合結(jié)構(gòu)形成機(jī)理107-110
• 6.4.1 水熱反應(yīng)過程中Ti(OBu)_4的添加量的影響107-108
• 6.4.2 水熱反應(yīng)時(shí)間對(duì)AWT材料合成的影響108-109
• 6.4.3 水熱反應(yīng)溫度對(duì)AWT材料合成的影響109-110
• 6.5 光催化降解甲基橙實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析110-111
• 6.6 光電性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析111-116
• 6.7 本章小結(jié)116-118
• 第7章 結(jié)論與展望118-120
• 7.1 論文的主要工作和結(jié)論118-119
• 7.2 本文取得了以下創(chuàng)新性工作119
• 7.3 后續(xù)需要進(jìn)一步開展的工作119-120
• 參考文獻(xiàn)120-136
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果136-138
• 攻讀博士學(xué)位期間參加的科研工作138-139
• 致謝139-140
• 作者簡(jiǎn)介140

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前2條

1 余青青;儲(chǔ)成林;林萍華;盛曉波;郭超;董寅生;;二氧化鈦納米管陣列的二次陽(yáng)極氧化制備[J];稀有金屬材料與工程;2011年S2期

2 楊玉嬌;王嘯;王剛;林紅;;水熱法制備大比表面積二氧化鈦納米片空心微球[J];硅酸鹽學(xué)報(bào);2014年10期

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前2條

1 周偉家;一維半導(dǎo)體納米材料的表面異質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)建與性能調(diào)控[D];山東大學(xué);2012年

2 曹慧敏;二氧化鈦基復(fù)合材料的制備及電化學(xué)與光電性能研究[D];華東理工大學(xué);2012年

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本文編號(hào)：959602