苯基磷酸联吡啶钌络合物敏化纳晶多孔TiO2薄膜电极光电性能研究

用有机光敏染料敏化半导体,通过染料分子的吸附功能基团与半导体相互作用,使染料分子与半导体表面之间建立电性耦合,进行有效的电荷转移,可以形成有机-半导体复合新型光电功能材料。联吡啶钌络合物有较强的可见光吸收、氧化还原性能可逆、氧化态稳定性高,是一类性能优越的有机光敏染料。近来许多研究发现,羧酸联吡啶钌的强吸附与TiO₂纳晶薄膜的大比表面相结合,导致光生电荷快速注入TiO₂导带达到有效的电荷分离,得到了接近100%的单色光光电流效率^[1]。为研究联吡啶钌分子的不同吸附功能基团与TiO₂纳晶薄膜表面的相互作用对提高光电性能的影响,本文报道苯基磷酸取代的联吡啶钌络合物敏化纳晶多孔TiO₂薄膜的光电性能。     

Y2O3/TiO2 "核-壳"结构在染料敏化太阳电池中的应用

在纳米TiO₂多孔薄膜表面包覆超薄绝缘体,形成"核-壳"结构的势垒层,是目前染料敏化太阳电池（DSC）光阳极改性的研究热点之一.本文选取氧化钇（Y₂O₃）作为包覆层材料,采用浸渍法对纳米TiO₂多孔薄膜进行修饰,研究Y₂O₃包覆处理对TiO₂薄膜微观结构及能带结构的影响;将浸渍法制备得到的Y₂O₃/TiO₂"核-壳"结构光阳极应用于DSC中,研究了饣覆层对电子传输复合以及DSC光电转换性能的影响.结果表明,Y₂O₃包覆处理后,薄膜的平带电势负移,且电子复合得到有效抑制,电子寿命增大,电池的开路电压明显提高.研究表明,适量引入Y₂O₃可以达改善电池性能的目的.     

CdS/TiO2复合纳米微粒的原位合成及性质研究

采用一种新方法,在TiO₂表面原位合成CdS纳米微粒,并用红外光谱跟踪了CdS/TiO₂复合纳米微粒的形成过程.紫外吸收光谱研究表明TiO₂对CdS纳米微粒的形成有很好的稳定作用,荧光光谱研究结果表明,这种纳米异质结构有着良好的电荷分离.     

量子点敏化太阳能电池研究进展

量子点敏化太阳能电池(QDSCs)因其制备成本低、工艺简单及量子点(QDs)本身的优异性能(如尺寸效应、多激子效应)等优点,近年来受到广泛关注。在此类电池中,无机半导体量子点敏化剂作为吸光材料,其自身的光电性质、制备方法、表面缺陷、化学稳定性及其在TiO₂光阳极上的敏化方法等是影响电池性能的关键。本文综述了无机半导体量子点敏化剂(包括窄带隙二元量子点、多元合金量子点及Type-Ⅱ核壳量子点)的最新研究进展,重点介绍了胶体量子点的制备方法;分类阐释了量子点在TiO₂光阳极表面的沉积与敏化方法,特别是双官能团辅助自组装吸附法;总结了针对提高电子注入效率和减少复合的量子点表面修饰方法;最后简要介绍了QDSCs的电解质和对电极的研究进展。     

柔性TiO2纳米管薄膜电极的制备及其光电性能

采用水热合成法制备出TiO₂纳米管,通过XRD、TEM和氮气等温吸附-脱附仪等测试手段对TiO₂纳米管进行了表征.用烧结的TiO₂纳米管和P25粉末混合制成薄膜电极,并研究了薄膜电极的表面形貌、染料吸附量和光电性能.研究表明,加入TiO₂纳米管可以制备出机械稳定的薄膜;掺杂TiO₂纳米管的含量越多,薄膜电极的染料吸附量越大;掺杂5%烧结纳米管粉末的薄膜电极的光电性能最好,其短路电流可达3.25mA,光电转换效率达到1.67%.     

共吸附剂修饰TiO2电极及其在染料敏化太阳电池中的应用

在染料敏化太阳电池中, 引入共吸附剂通常有抑制染料聚集和提高电池性能的作用. 通过光谱电化学、线性伏安扫描和电化学阻抗谱(EIS)研究了几种以单羧酸基为吸附基团的共吸附剂对纳米TiO₂薄膜的修饰作用. 结果表明本实验中的共吸附剂均能使TiO₂平带电势负移, 并抑制TiO₂导带电子的复合, 其中胆酸类共吸附剂表现出较好的暗电流抑制性能. 适当浓度共吸附剂的引入能够提高N719染料敏化太阳电池的开路电压、填充因子和光电转换效率.     

CdS/CdSe/TiO2多级空心微球光阳极中量子点覆盖度的提高

TiO₂多级空心微球(THHSs)具有高的比表面积、强的光散射效应以及良好的电子传输性质,以此作为光阳极材料,可以显著提升CdS/CdSe敏化太阳能电池(QDSSCs)的性能。但基于化学浴沉积方法获得的这一类电池中量子点在光阳极表面的覆盖度通常不高(50%左右),本文发展了一种基于表面选择性吸附原理的多步沉积方法,选取特定分子(正十二硫醇)限制已有量子点的生长,通过二次沉积成功提高了CdS/CdSe在TiO₂多级空壳微球表面的覆盖度。使用此方法最终得到高达85.4%的覆盖度。结果表明,量子点覆盖度的增加有效提高了电池对太阳光的利用率,使得光电流获得了明显的增加。同时,二氧化钛空白表面积的减小还可以抑制电子和空穴的复合。优化后的电池光电流密度为15.69 mA·cm^-2,填充因子为0.583,电压为0.605 V,最高光电转换效率为5.30%。     

Ru(bpy)2(NCS)2染料敏化CdS/Zn2+TiO2复合半导体纳米多孔膜的光电化学

采用水热法合成了Zn²⁺离子掺杂的TiO₂纳米粒子[Zn²⁺掺杂量0.5%(物质的量的比)],并用光电化学方法研究了经Ru(bpy)₂(NCS)₂(bpy=2,2′bipyridine₄,4′dicarboxylicacid)分别敏化的掺杂Zn²⁺的TiO₂电极(简写为Zn²⁺-TiO₂)和CdS/Zn²⁺-TiO₂复合半导体纳米多孔膜电极的光电化学行为.实验证明Ru(bpy)₂(NCS)₂敏化CdS/Zn²⁺-TiO₂复合半导体纳米多孔膜电极比单独敏化Zn²⁺-TiO₂电极的光电转换效率高,且敏化Zn²⁺TiO₂电极和敏化CdS/Zn²⁺TiO₂复合半导体纳米多孔膜电极比Zn²⁺-TiO₂电极的光电流产生的起始波长都向长波方向移动.在360600nm范围内,Ru(bpy)₂(NCS)₂敏化CdS/Zn²⁺-TiO₂复合半导体纳米多孔膜电极光电转换效率最好.     

二氧化钛在钙钛矿太阳电池中的应用

纳米TiO₂由于具有合适的禁带宽度、良好的光电化学稳定性、制作工艺简单等特点,目前广泛应用于染料敏化、量子点和钙钛矿等太阳电池中。作为电池的重要组成部分之一,纳米TiO₂晶体尺寸、颗粒大小和制备方法等明显影响电池的光伏性能,相关研究工作一直是染料敏化、量子点和钙钛矿等太阳电池方面的重点。本文综述了纳米TiO₂作为致密层和骨架层在钙钛矿太阳电池中的应用研究进展,主要讨论了纳米TiO₂的不同形貌、制备方法以及结构等对电池光电性能的影响,并针对纳米TiO₂在后续对电池性能提升方面进行了展望。     

不同受体结构染料共敏化对染料敏化太阳电池性能的影响

为了拓宽染料敏化太阳电池对太阳光谱的响应范围,提高电池的光电转换效率,将两种含有不同受体结构（绕丹宁-3-乙酸基（RA）和氰基丙烯酸基（CA））的三苯胺染料（TR1和TC1）进行共敏化。TR1染料平伏吸附在TiO₂表面,而TC1染料直立吸附在TiO₂表面。将两种染料按照不同摩尔比共敏化TiO₂后,TC1占据TR1的部分位置,拓展光谱的同时也抑制了电荷复合,电子寿命较TR1敏化的太阳电池长。在TR1与TC1摩尔比为5：5的共敏剂溶液敏化的共敏电池器件中,短路光电流密度（J_sc）为11.7 mA/cm²,开路电压（V_oc）为704 mV,填充因子（FF）为0.73,光电转换效率（η）为6.03%。该结果明显优于单一染料敏化的电池器件。     

CuInS_2量子点敏化太阳能电池中尺寸依赖的电子注入和光电性质

研究了CuInS2(CIS)量子点敏化太阳能电池(QDSSCs)的电子注入和器件性能与粒子尺寸之间的依赖关系.首先合成了不同尺寸的CuInS2量子点(QDs),制备了CuInS2量子点敏化的TiO2薄膜,并组装了量子点敏化太阳能电池.通过循环伏安法确定了CuInS2量子点的能级位置.采用时间分辨荧光光谱分析测量了CuInS2量子点到TiO2薄膜的电子转移速率和效率.结果发现,随着粒子尺寸从4.0 nm减小到2.5 nm,电子注入速率略微增加而电子注入效率减小,同时量子点敏化太阳能电池的开路电压基本不变,而光电转换效率、短路电流和填充因子(FF)均减小.上述研究结果表明量子点敏化太阳能电池性能的优化可以通过改变量子点的尺寸来实现.     

基于PbS QDs/TiO2 NPs构建新型谷胱甘肽光电化学传感器

通过高温煅烧将二氧化钛纳米颗粒(TiO₂ NPs)修饰到ITO电极表面制成TiO₂ NPs/ITO电极, 再采用连续离子层吸附反应(SILAR)循环将硫化铅量子点(PbS QDs)修饰到TiO₂/ITO电极表面制得PbS QDs/TiO₂ NPs/ITO电极, 并将该电极应用于检测谷胱甘肽(GSH)的光电化学传感器. 在该传感器中, 当PbS QDs受470 nm可见光的激发时将产生电子(e)和光生空穴(h ⁺), 光生空穴可被溶液中的GSH捕获, 并将GSH氧化成GSSH, 有效避免电子和空穴的复合, 显著提高了光电效率. 该传感器对GSH的检测具有较高的灵敏度和选择性, 线性检测范围为0.06~1 mmol/L, 检出限(LOD)为4.6×10 ^-3 mmol/L(S/N=3).     

Dye-sensitized solar cells made from BaTiO3-coated TiO2 nanoporous electrodes

We reported on the preparation of a thin BaTiO₃-coated layer (2.27 nm) on the surface of TiO₂ and its further application in the dye-sensitized solar cells (DSCs). The as-prepared BaTiO₃–TiO₂ films were characterized by X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscope (TEM). The performances of the DSCs with and without BaTiO₃ coating were analyzed by cyclic voltammograms (CVs), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and current–voltage measurements. It was found that the BaTiO₃–TiO₂ films with about 12 μm thickness increased the dye adsorption, resulting in increased J_sc. In the meantime, the BaTiO₃ modification on the TiO₂ surface is beneficial to the formation of an energy barrier against the electron transfer from TiO₂ to I₃⁻, providing the increase of V_oc due to the increased electron density in the TiO₂ that is caused by the increased electron lifetime.     

量子点自修饰TiO2p-n同质结的构建及光催化性能

在n型TiO₂纳米片表面原位沉积p型TiO₂量子点构建了量子点自修饰的TiO₂ p-n同质结(PNT-x), 并利用透射电子显微镜(TEM)、 X射线衍射(XRD)、 傅里叶变换红外光谱(FTIR)、 X射线光电子能谱(XPS)、 稳态荧光光谱(PL)、 拉曼光谱(Raman)、 紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、 电化学测试及电化学交流阻抗谱(EIS)对复合物的组成、 结构和光催化性能进行了表征和研究. 结果表明, PNT-x具有TiO₂量子点自修饰的结构, 量子点和纳米片中分别含有金属缺陷和氧缺陷, 其含量随组成变化可控, 并使得PNT-x表现出p-n同质结的典型特征, 与n-n Ⅱ型同质结以及块状p-n同质结相比, PNT-x中费米能级相差更大, 界面内电场更强, 具有更高的电荷分离和传递效率. 光照下, 样品的光催化活性顺序为PNT-400>p-25>PNT-600>PNT-200>p-TiO₂>n-TiO₂, 其中PNT-400的光催化产氢速率高达41.7 mmol·g^-1·h^-1, 分别为n-TiO₂纳米片、 Ⅱ型同质结和块状p-n同质结的4.3倍、 3.6倍和2.3倍, 并表现出优异的催化稳定性.     

TiO2-SA纳米光催化材料接枝动力学、结构及性能

采用后处理表面改性法在纳米TiO₂表面接枝水杨酸(SA)(TiO₂-SA), 分别考察了超声搅拌、溶剂、物料比、pH值及温度等因素对接枝过程及光催化材料性能的影响, 并研究了接枝反应动力学. 通过傅里叶变换红外(FT-IR)光谱、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)等对TiO₂-SA纳米光催化材料进行了结构表征, 并提出了结构模型. 通过接触角测定、同步热分析(热重-差示扫描量热法(TG-DSC))、紫外-可见漫反射光谱(UV-VisDRS)、扫描电子显微镜(SEM)对光催化材料进行了性能表征. 结果表明, 水杨酸改性纳米TiO₂可以提高疏水性及分散性, 减缓在溶剂中的沉降速度, 并能稳定吸附在油-水界面, 实现了光谱响应范围向可见光的拓展. 在紫外光照射下, TiO₂-SA表现出优异的光催化降解硝基苯性能.     

超小荧光二硫化钨量子点的水热合成及细胞成像应用

以钨酸钠和半胱氨酸为原料, 采用水热法一步合成了具有超小粒径(约2 nm)的二硫化钨荧光量子点(WS₂ QDs). 利用透射电子显微镜(TEM)、 荧光光谱、 X射线光电子能谱(XPS)、 红外光谱(FTIR)和X射线衍射光谱(XRD)对其进行了表征, 并考察了其稳定性和细胞毒性. 结果表明, 制备的WS₂ QDs具有水溶性好、 稳定性高和细胞毒性低的优点. 将此WS₂ QDs用于人乳腺癌细胞(MCF-7)的成像, 并通过溶酶体荧光探针进行共定位, 发现此WS₂ QDs可能借助溶酶体进入细胞内.     

ATR-IR spectroscopic studies of the influence of phosphate buffer on adsorption of immunoglobulin G to TiO2

In situ attenuated total reflectance infrared (ATR-IR) spectroscopy has been applied to the study of the influence of phosphate on the extent of protein adsorption onto TiO₂. Immunoglobulin G (Ig.G) was adsorbed onto a TiO₂ sol–gel film from solutions containing phosphate or NaCl. Monitoring of the amide II absorbance (v=1545 cm⁻¹) confirmed reduced protein adsorption from the phosphate containing solution. In situ ATR-IR spectroscopy was also used to study phosphate induced desorption of Ig.G. Solutions containing various phosphate concentrations were passed over a TiO₂ film with Ig.G adsorbed to it. As the concentration of phosphate increased the amide II absorbance decreased confirming the removal of bound Ig.G from the TiO₂ surface. As the amide II absorbance decreased the phosphate absorbance (v=1080 cm⁻¹) increased suggesting accumulation of phosphate at the TiO₂ surface. Not all of the bound protein could be displaced from the TiO₂ surface by phosphate suggesting the presence of weakly and strongly bound Ig.G.     

Synthesis of Gd-N Codoped Porous TiO2 Photocatalyst and Its Enhanced Photocatalytic Activities

Visible-light-active Gd-N codoped porous TiO₂(Gd-N-TiO₂) photocatalyst was fabricated by an evapora-tion-induced self-assembly route using surfactants as structure-directed agents. As-prepared samples were characterized by X-ray diffraction, field-emission scanning electron microscopy, transmission electron microscopy(TEM), X-ray photoelectron spectroscopy, Brunauer-Emmett-Teller(BET) method, and ultraviolet-visible absorption spectroscopy. The results indicated that synergistic reaction occurred when codoping with Gd³⁺ and N, which enhanced the light absorption properties of TiO₂. Irregular worm-like particles with wide interparticle spaces were clearly observed by TEM. The average particle size of Gd-N-TiO₂ decreased to ca. 8 nm because co-doping inhibited the particles growth significantly. Thus, the specific surface area of Gd-N-TiO₂(198.7 m²/g) was higher than that of Degussa P25 TiO₂(50 m²/g). Gd-N-TiO₂ exhibited a high photocatalytic activity toward methyl orange degradation under UV-Vis or visible-light irradiation. The Gd-N-TiO₂ catalyst also presented a stable performance without losing activity after four successive photocatalytic experiments. The facile synthesis and excellent activity of Gd-N-TiO₂ indicated its great potential as industrial catalysts for wastewater treatment.     

多孔双金属氧化物/碳复合光催化剂对四环素的高效光催化降解

本工作以金属有机框架材料UiO-67为载体,通过原位水解负载TiO_2,经焙烧后得到系列ZrxTi/C光催化剂。我们以四环素为典型抗生素在300 W氙灯光源下进行光降解研究,Zr_(0.3)Ti/C复合催化剂表现出优异的光催化效率,对于10 mg×L~(-1)四环素溶液,30 min可以降解98%。光降解速率常数分别是TiO_2、纯Ui O-67焙烧产物Zr-O-C的16倍和3.7倍。这得益于Zr_(0.3)Ti/C较大的比表面积,对四环素具有优异的吸附性能;同时具有能级匹配的Zr-O-C/TiO_2异质结构和高导电性碳材料共掺,有效提高了电子-空穴对的分离与迁移;机理研究表明光照下产生的超氧自由基(O_2·-)、羟基自由基(·OH)以及少量的空穴(h~+),共同促进了光催化降解四环素。本研究基于吸附和光催化协同作用原理,所提出的高比表面积、双金属活性的复合光催化材料的制备方法,对抗生素等环境污染物光降解治理方面有一定的指导作用。     

LaCoO_3-TiO_2纳米管阵列的构筑及可见光光催化性能

TiO_2纳米管阵列具有较高的光催化活性,但可见光吸收弱,限制了其太阳能利用和环境应用。窄带隙的钙钛矿(ABO3)型氧化物能够吸收大范围波段的可见光,且稳定性高,但光催化活性低。本文首先采用溶胶-凝胶法合成了LaCoO_3纳米颗粒,然后利用电泳沉积技术将LaCoO_3纳米颗粒修饰于TiO_2纳米管阵列表面,构筑了LaCoO_3-TiO_2纳米管阵列。扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)的表征结果显示溶胶-凝胶法合成的纳米颗粒为LaCoO_3,其尺寸均匀,结晶度高,平均粒径约为100nm。LaCoO_3纳米颗粒与TiO_2纳米管阵列之间的结合力好。紫外可见吸收光谱(DRS)显示,随着电泳沉积时间的延长,LaCoO_3-TiO_2纳米管阵列的吸收带边逐渐红移700nm。可见光下光催化降解甲基橙(MO)的结果表明,电泳沉积15 min制得的LaCoO_3-TiO_2纳米管阵列对MO的光催化效率最高,其降解速率是相同条件下TiO_2纳米管阵列的4倍。光致发光光谱和电化学阻抗谱证实LaCoO_3纳米颗粒的负载有效地促进了光生电荷的分离和传输,可见光光催化活性明显增强。