阳极氧化法制备TiO_2纳米管及其在染料敏化太阳能电池和光催化中应用

【摘要】：Ti02纳米材料由于具有资源丰富、安全无毒、环境友好、化学性质稳定等优点而被广泛应用于传感器、介电材料、自清洁材料、光催化和染料敏化太阳能电池等领域。近年来,Ti02纳米管因其具有较大的比表面积和优异的一维特性而广泛应用于染料敏化太阳能电池(DSSC)和光催化等领域。阳极氧化法是众多制备纳米管的方法中具有突出优势的一种,其具有成管均匀完整、形貌可控、可大面积制备以及可产生有序阵列等优势。本论文采用阳极氧化法制备Ti02纳米管,探索了纳米管的生长规律及可控生长技术,并将生成的纳米管应用于制备具有高比表面积及快速电子传输的DSSC光阳极。另外,阳极氧化法制备的高比表面积Ti02纳米管还被应用于改进光催化效率的探索研究。 采用阳极氧化法制备了有序排列Ti02纳米管阵列。通过记录反应过程中的电流—时间(I-t)曲线来研究Ti02纳米管的生长规律。并通过记录不同的反应电压,温度,搅拌速率下的I-t曲线对纳米管的生长机理和生长模式进行了探讨。得出如下结论：增大电压,升高温度均有利于提高氧化速度。搅拌速度对氧化速度的影响可归于温度对氧化速度的影响。本论文还采用在阳极氧化电解液中加入Cu离子来实现对纳米管的Cu掺杂。Cu掺杂的Ti02纳米管的制备同样受电压,温度,搅拌速度的调制,其调制规律与未掺杂Ti02纳米管的调制规律基本一致。 采用阳极氧化法在溅射Ti膜上制备了Ti02纳米粟状茎结构,研究了纳米粟状茎结构的形成机理。另外,根据I-t曲线研究了纳米粟状茎结构的生长规律及实现其可控生长的条件。最后将纳米粟状茎结构Ti02光阳极应用于染料敏化太阳能电池,分析了电池性能随膜厚的变化,并提出了电池效率的改进方案：改进溅射工艺,增大膜厚和提高溅射膜质量。 将阳极氧化制备的Ti02纳米管和Ti02纳米颗粒(P25)混合,采用刮涂法在导电玻璃衬底上制备了管粒混合膜,并将其应用于染料敏化太阳能电池。得到了如下结果：管粒混合膜基电池效率达到了4.96%,比纯纳米粒子膜基电池效率提高了18.6%,并达到了纯纳米管基电池效率的2.54倍。通过对电池性能的基本参数的分析表明,管粒混合膜基电池效率的提高是由于适量掺入的纳米管搭起了从纳米粒子到导电基底的电子传输桥梁—“电子高速公路”。“电子高速公路”缩短了电子传输路径,降低了电子传输过程中载流子的复合几率,导致了膜内电子传输阻抗的减小和电子传输效率的提高。因而使电池填充因子和总能量转化效率获得了显著提高。 在上一个工作的基础上,利用刮涂法在导电玻璃衬底上制备了纳米管／纳米颗粒／纳米管的三明治结构,并将其应用于染料敏化太阳能电池。得到了如下结果：这种具有三明治结构光阳极的DSSC效率达到了6.11%,比相同厚度纳米管／纳米粒子双层膜基电池效率提高了27.3%,比纳米粒子膜基和纳米管膜基电池效率分别提高了46.1%和213%。借助于光吸收数据,我们探索了具有三明治结构光阳极基DSSC效率提高的原因,主要是由于上下两层纳米管对光的散射增加了光在膜内的光程,从而增强了光捕获效率。光捕获效率的提高进而导致短路电流的提高和电池总效率的提高。接着,我们采用类似方法制备了纳米管／管粒混合／纳米管的多层混合结构薄膜并应用于染料敏化太阳能电池。与混合结构基和三明治结构基电池相比,这种多层混合膜基电池获得了更高的电池效率7.17%。结合光吸收数据和前面的工作可证明多层混合膜基电池效率的提高是由于综合利用了纳米管的光散射和高效电子传输的共同优势。 采用溶液浸渍法对阳极氧化制备的TiO2纳米管进行了Fe离子包覆掺杂。并研究了未掺杂以及不同含量Fe掺杂的Ti02纳米管的光催化效率。实验表明,进行适量Fe掺杂(Fe-0.1)可以改善Ti02纳米管的光催化性能,而过量的Fe掺杂(Fe-0.2)反而会降低催化剂的光催化性能。这是由于适量的Fe离子进入Ti02晶格,引入了电子或空穴的陷阱,从而降低了电子—空穴对复合机率,延长了载流子寿命,提高了光催化效率。而掺杂Fe过量时,过量的Fe3+会作为载流子复合中心而存在,从而使电子—空穴复合几率大幅度上升,反而大大降低了光催化效率。 【关键词】：二氧化钛 纳米粒子 纳米管 刮涂法 光散射 混合膜 三明治膜 染料敏化太阳能电池 光催化 降解率
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TB383.1
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-12
• 第一章 绪论12-36
• 1.1 TiO_2的基本性质及研究进展12-16
• 1.1.1 TiO_2的基本性质12-13
• 1.1.2 TiO_2纳米薄膜的制备方法13-15
• 1.1.3 TiO_2纳米薄膜的应用简介15-16
• 1.2 TiO_2纳米管的性质与应用16-20
• 1.2.1 TiO_2纳米管的制备方法16-18
• 1.2.2 TiO_2纳米管的应用18-20
• 1.3 染料敏化太阳能电池20-27
• 1.3.1 太阳能电池的发展及染料敏化太阳能电池的应运而生20-21
• 1.3.2 染料敏化太阳能电池的基本结构和工作原理21-24
• 1.3.3 染料敏化太阳能电池的性能表征24-26
• 1.3.4 染料敏化太阳能电池的研究进展26-27
• 1.4 光催化介绍27-31
• 1.4.1 光催化应用简介27-28
• 1.4.2 光催化原理28-30
• 1.4.3 光催化剂的修饰与改性30-31
• 1.5 本论文的研究意义及主要内容31-32
• 1.6 本章小结32-33
• 参考文献33-36
• 第二章 实验材料与测试方法36-50
• 2.1 实验材料36-37
• 2.2 主要实验仪器37
• 2.3 表征方法与测试手段37-47
• 2.3.1 扫描电子显微镜(SEM)37-38
• 2.3.2 透射电子显微镜(TEM)38
• 2.3.3 X射线衍射(XRD)38-39
• 2.3.4 拉曼光谱(Raman)39-40
• 2.3.5 紫外—可见分光光谱仪40-42
• 2.3.6 电池的性能测试42-45
• 2.3.7 光催化测试45-47
• 2.4 本章小结47-48
• 参考文献48-50
• 第三章 阳极氧化法在TI箔上生长有序排列纳米管及生长机理研究50-68
• 3.1 实验工艺和基本参数50-51
• 3.1.1 实验材料50
• 3.1.2 TiO_2纳米管阵列的制备50-51
• 3.2 结果与讨论51-65
• 3.2.1 TiO_2纳米管阵列生长机理51-54
• 3.2.2 TiO_2电极薄膜的形貌分析与结构表征54-56
• 3.2.3 TiO_2纳米管阵列生长随时间变化56-61
• 3.2.4 阳极氧化法制备Cu掺杂纳米管61-65
• 3.3 本章小结65-66
• 参考文献66-68
• 第四章 阳极氧化法生长TiO_2纳米粟状茎及其在DSSC中的应用68-78
• 4.1 实验工艺和基本参数68-69
• 4.1.1 实验材料68
• 4.1.2 TiO_2粟状茎阵列的制备68-69
• 4.2 结果与讨论69-75
• 4.2.1 TiO_2纳米粟状茎阵列生长机理69-70
• 4.2.2 TiO_2纳米粟状茎的形貌与结构表征70-72
• 4.2.3 TiO_2纳米粟状茎阵列生长电流随时间变化72-73
• 4.2.4 TiO_2纳米粟状茎阵列的染料敏化太阳能电池测试73-75
• 4.3 本章小结75-77
• 参考文献77-78
• 第五章 混合薄膜基染料敏化太阳能电池性能研究78-90
• 5.1 实验工艺和基本参数78-80
• 5.1.1 实验材料78-79
• 5.1.2 TiO_2纳米管的制备79
• 5.1.3 TiO_2电极的制备和电池的组装79
• 5.1.4 膜的形态与表征79-80
• 5.2 结果与讨论80-86
• 5.2.1 TiO_2电极薄膜的形态与结构表征80-82
• 5.2.2 TiO_2基电池的光电性能82-84
• 5.2.3 电子传输机制分析84-86
• 5.3 本章小结86-88
• 参考文献88-90
• 第六章 多层薄膜基染料敏化太阳能电池性能研究90-102
• 6.1 实验工艺和基本参数90-92
• 6.1.1 实验材料90-91
• 6.1.2 TiO_2纳米管的制备91
• 6.1.3 TiO_2电极的制备和电池的组装91-92
• 6.1.4 膜的形态与表征92
• 6.2 三明治膜的电池性能研究92-95
• 6.2.1 三明治薄膜电极的形态与结构表征92-93
• 6.2.2 三明治薄膜的电池性能测试93-95
• 6.3 多层混合膜的电池性能研究95-99
• 6.3.1 多层混合膜的形貌与结构表征95-97
• 6.3.2 多层混合膜基染料敏化太阳能电池性能测试97-99
• 6.4 本章小结99-100
• 参考文献100-102
• 第七章 光催化102-120
• 7.1 光催化机理介绍102-104
• 7.2 光催化剂的制备过程104
• 7.3 FE掺杂纳米管的光催化性能研究104-116
• 7.3.1 Fe-TiO_2纳米管的形貌分析104-106
• 7.3.2 Fe-TiO_2纳米管的结构与成分分析106-108
• 7.3.3 温度对光催化性能影响108-109
• 7.3.4 Fe-TiO_2纳米管的光催化性能测试109-116
• 7.4 FE掺杂纳米管的光催化实验的干扰排除116-117
• 7.5 本章小结117-118
• 参考文献118-120
• 第八章 论文综述与研究工作展望120-124
• 8.1 论文综述120-122
• 8.2 研究工作展望122-124
• 在学期间的研究成果124-126
• 致谢126

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