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TiO2纳米管阵列电极的表面敏化及其界面性质

作　者: 谭欢悦
导　师: 桑丽霞
学　校: 北京工业大学
专　业: 热能工程
关键词: TiO2纳米管阵列 染料敏化 量子点敏化 界面性质 耗尽层
分类号:
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


为了寻找洁净的新能源来解决全球日益短缺的化石能源问题，基于光电化学分解水制氢的“太阳-氢”技术倍受关注。TiO2以其丰富易得、无毒、稳定等优点被认为是太阳能光解水制氢研究的首选阳极材料，但TiO2的能隙值也限制了其对太阳能的利用率。本课题对具有快速电子迁移特性的TiO2纳米管阵列进行表面敏化研究，以期提高其可见光响应性能和电荷转移界面性能。通过电化学阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列（TNT），并通过浸渍法及声助化学沉积法对所制TNT进行表面敏化。利用SEM、XPS、UV-Vis DRS等技术分析所制光电极的表面形貌、表面粒径尺寸和光响应性能。通过光电流时间曲线、光电压时间曲线、Mott-Schottky曲线、电化学阻抗图及光电转化效率（IPCE）曲线等电化学测试方法分析敏化前后TiO2纳米管阵列电极的光电性能及光电转换效率。结果表明：在含F-的乙二醇溶液和H3PO4水溶液的电解液中阳极氧化分别制得约15μm和600nm的TiO2纳米管阵列TNT-a和TNT-b。以染料Eosin Y和RuL分别对所制TNT-a和TNT-b进行表面敏化，敏化后样品管壁厚增加，在可见光区500-700nm的吸光性增强。在所制TNT-b表面沉积CdS粒子进行敏化，利用XPS谱图分析可知沉积的CdS粒子的半径约为3nm，结合敏化前后管壁厚分析可知，在TiO2纳米管内壁附着了近一层量子点CdS。根据UVDRS分析进一步证实了CdS量子点敏化增强了TiO2纳米管阵列的可见光吸收特性。以太阳光模拟器（AM1.5，100mW/cm2）为光源，以Ag/AgCl电极为参比电极，染料及量子点敏化后的TiO2纳米管阵列光阳极在相应电解质的光电体系中的光电性能明显提高。Eosin-Y敏化前后电极的光电流密度分别为0.24mA/cm2、0.46mA/cm2； RuL敏化前后电极的光电流密度分别为0.065mA/cm2和0.165mA/cm2；CdS量子点敏化电极可将光电流密度从0.35mA/cm2提高到3.75mA/cm2。在500-1100nm范围内的光辐照下，CdS量子点敏化电极的光电转化效率（IPCE）最高达到25%左右。基于Mott-Schottky曲线分析和计算，对表面敏化前后的TiO2纳米管列电极的界面耗尽层宽度进行了计算分析，建立了敏化电极的耗尽层宽度增大以促进光生电子-空穴的快速分离和传递的耗尽层界面模型和理论。利用电化学阻抗图，对表面敏化前后的TiO2纳米管列电极的界面阻抗和电容进行了分析，敏化电极的阻抗半径明显减小电容增大而具有相对增强的光电化学界面性能。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-8
物理量名称及符号表  8-11
第1章 绪论  11-27
  1.1 研究背景与意义  11-12
  1.2 国内外研究现状  12-25
    1.2.1 TiO_2光电极的敏化原理  12-17
    1.2.2 染料敏化光电极的电子传递性能和动力学特性  17-25
  1.3 研究目的及研究内容  25-27
第2章 实验方法  27-37
  2.1 实验试剂及仪器  27-28
  2.2 TiO_2纳米管阵列光电极的制备  28-30
    2.2.1 TiO_2纳米管阵列基体的制备  28-30
  2.3 敏化 TiO_2纳米管阵列光电极的制备  30-32
    2.3.1 Eosin Y 染料敏化 TiO_2纳米管阵列电极的制备  30
    2.3.2 RuL 染料敏化 TiO_2纳米管阵列电极的制备  30-31
    2.3.3 CdS 量子点敏化 TiO_2纳米管阵列电极的制备  31-32
  2.4 表征手段  32-33
    2.4.1 扫描电子显微镜（SEM）  32-33
    2.4.2 紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）  33
    2.4.3 X-射线光电子能谱（XPS）  33
  2.5 光电化学性质测试  33-37
    2.5.1 光电化学测试系统  33-34
    2.5.2 光电流测试  34
    2.5.3 光电压测试  34
    2.5.4 光电转化效率（IPCE）测试  34-35
    2.5.5 Mott-Schottky 曲线测试  35
    2.5.6 电化学阻抗谱测试  35-37
第3章 TiO_2纳米管阵列电极的表面敏化研究  37-47
  3.1 引言  37
  3.2 TiO_2纳米管阵列基体  37-40
    3.2.1 表面形貌分析  38-39
    3.2.2 光敏性分析  39-40
  3.3 Eosin Y 敏化二氧化钛纳米管阵列  40-42
    3.3.1 表面形貌分析  40-41
    3.3.2 光敏性分析  41-42
  3.4 RuL 敏化 TiO_2纳米管阵列  42-43
    3.4.1 表面形貌分析  42-43
    3.4.2 光敏性分析  43
  3.5 CdS 量子点敏化 TiO_2纳米管阵列  43-45
    3.5.1 XPS 分析  43-45
    3.5.2 光敏性分析  45
  3.6 本章小结  45-47
第4章 敏化 TiO_2纳米管阵列电极的光电化学性能  47-55
  4.1 Eosin Y 敏化 TiO_2纳米管阵列的光电特性  47-49
    4.1.1 光电流密度曲线分析  47-48
    4.1.2 光电压曲线分析  48-49
  4.2 RuL 敏化 TiO_2纳米管阵列的光电特性  49-51
    4.2.1 光电流密度曲线分析  49-50
    4.2.2 光电压曲线分析  50-51
  4.3 CdS 量子点敏化 TiO_2纳米管阵列的光电特性分析  51-53
    4.3.1 光电流密度曲线分析  51-52
    4.3.2 光电转化效率曲线分析  52-53
  4.4 本章小结  53-55
第5章 敏化 TiO_2纳米管阵列电极的界面性质分析  55-67
  5.1 引言  55
  5.2 耗尽层分析  55-62
    5.2.1 CdS 量子点敏化电极的耗尽层分析  57-60
    5.2.2 EosinY 敏化 TiO_2纳米管阵列电极耗尽层分析  60-61
    5.2.3 敏化 TiO_2纳米管阵列电极耗尽层模型  61-62
  5.3 阻抗和电容  62-64
  5.4 本章小结  64-67
结论  67-69
参考文献  69-75
攻读硕士期间发表的论文  75
攻读硕士期间所获奖励  75-77
致谢  77

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