SnO2表面卤化提高钙钛矿太阳能电池光伏性能

钙钛矿太阳能电池(PSCs)成为近几年来迅速发展的新型太阳能电池,其中将SnO₂纳米粒子层用作电子传输层(ETL)的钙钛矿太阳能电池器件得到了广泛的关注。SnO₂有着更低的制备温度,使其具备应用于柔性器件的潜力,但与钙钛矿层能级不匹配等问题限制着其发展。而在界面处加入钝化层,尤其是表面卤化的方法或可解决这一问题。本文综合研究了SnO₂表面卤化对钙钛矿太阳能电池光伏性能的影响,选用四丁基氯化铵(TBAC)、四丁基溴化铵(TBAB)和四丁基碘化铵(TBAI)三种钝化材料对SnO₂表面进行钝化处理,并对钝化材料溶液进行了浓度梯度研究。通过材料形貌、结构和光学性能表征以及电池器件性能测试分析等方法,证明了SnO₂表面卤化可提高钙钛矿层的质量和PSCs光伏性能,并从器件内部电荷传输动力学等角度解释了器件性能改善的原因。为进一步说明其性能改善的机理,采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法对材料表面性质进行了深入研究,从能量、结构、电荷密度、态密度、功函数等角度解释了表面卤化提高SnO₂/钙钛矿界面处电子传输特性的原因。实验和理论计算均表明TBAC对于SnO₂具有较好的钝化效果,并随着溶液浓度的提升钝化作用越明显。SnO₂表面卤化作用的深入研究不仅对提高电池器件性能具有实际意义,还能够帮助理解太阳能电池界面现象,为界面改性提供新的研究思路。     

高长径比管式反应器内壁SiO2与TiO2钝化层的原子层沉积制备及抗积碳性能

采用原子层沉积技术(ALD)在不锈钢微通道管式反应器内壁沉积二氧化硅(SiO₂)和二氧化钛(TiO₂)薄膜, 以抑制碳氢燃料热裂解过程中由于金属催化作用导致的结焦. 使用石英晶体微天平(QCM)测得SiO₂和TiO₂薄膜的生长速率分别为0.15 nm/周期和0.11 nm/周期, 因此可以通过改变沉积周期数精确控制钝化层的厚度. 在结焦实验中, 当钝化膜层较薄时, 其抗积碳钝化作用较弱; 随着钝化薄膜厚度的增加, 其钝化作用逐渐增强, 微通道反应器的运行寿命显著延长. 实验表明, TiO₂薄膜的抗积碳钝化性能普遍优于SiO₂薄膜. 沉积周期数为1000的TiO₂膜层具有最佳的抗积碳钝化效果, 能够使反应器的运行时间延长4~5倍.     

电结晶制Co/Pt多层膜的结构及磁性研究

以单晶Si(111)为基底, 在以P盐[主要成分Pt(NO₂)₂(NH₃)₂]和CoSO₄为主盐的硼酸体系中电结晶Co/Pt多层膜. SEM观察多层膜的断面形貌, 证实多层膜具有周期结构. 经XRD测试, 首次证实了Co-Pt界面上有CoPt₃化合物的存在. 用PPMS测试了多层膜的磁滞回线, 平行于外磁场时膜的矫顽力约为165 Oe, 垂直于外磁场时的矫顽力随Co含量的增加而增加, 最大达到396 Oe. 首次用电结晶方法制得了易磁化轴垂直于膜面的Co/Pt多层膜.     

表面水热碳层对磁性NiFe2O4八面体光催化活性的影响

采用葡萄糖水热碳化法合成了一系列碳层包覆的NiFe₂O₄核壳八面体(NiFe₂O₄@C). 通过调控葡萄糖的含量可以有效控制NiFe₂O₄表面包覆的碳层厚度. 利用X射线衍射(XRD)、 拉曼光谱(Roman)、 X射线光电子能谱(XPS)、 扫描电子显微镜(SEM)、 透射电子显微镜(TEM)和紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)等对NiFe₂O₄@C的组成、 结构、 形貌和光学性能进行了表征. 考察了表面水热碳层对NiFe₂O₄光催化降解亚甲基蓝(MB)性能的影响. 结果表明, NiFe₂O₄的光催化活性很大程度上依赖于在其表面包覆的碳层厚度, 碳层厚度为5.5 nm的NiFe₂O₄@C-3展现了最佳的光催化活性. 荧光光谱(PL)、 瞬态光电流和电化学阻抗谱(EIS)表征结果证明, NiFe₂O₄@C的光催化性能的提升归因于在NiFe₂O₄核和碳壳之间形成了异质结, 有效地促进了光生载流子的传输和分离效率. NiFe₂O₄@C复合材料展现了较好的稳定性和可回收性, 在污水处理方面有很大的应用潜力.     

TiO2柱层状HTiNbO5的合成及在环己酮肟气相Beckmann重排反应中的催化性能

钛酸异丙酯(TIP)、CH₃COOH和H₂O按体积比1∶16∶40混合后得到Ti(Ⅳ)多聚阳离子柱化液, 与正癸胺插层钛铌酸盐进行交换反应后制得钛(Ⅳ)多聚阳离子插层钛铌酸盐, 其层间距为1.70 nm. 在空气气氛中于623 K焙烧处理后, 所得产品能保持良好的层柱结构. 在空气气氛中于723 K焙烧后所得的TiO₂柱层状钛铌酸(TiO₂-HTiNbO₅), 其层间距为0.97 nm, 比表面积为89 m²/g. 以TiO₂-HTiNbO₅为载体, 用浸渍法制备了一系列B₂O₃负载量不同的负载型样品B₂O₃/TiO₂-HTiNbO₅, 考察了它们在环己酮肟气相Beckmann重排反应中的催化性能并测试了它们的红外光谱. B₂O₃/TiO₂-HTiNbO₅的催化性能优于TiO₂-HTiNbO₅. 在B₂O₃负载质量分数为7.31%的催化剂上, 环己酮肟转化率接近100%且在4.5 h内无明显改变, 己内酰胺选择性接近90%. 红外光谱分析结果表明, 当B₂O₃负载量很低时, 硼组分高度分散于载体TiO₂-HTiNbO₅表面, 并主要以BO₄结构形式存在; 当B₂O₃负载质量分数高于7.31%时, BO₃结构形式在数量上占优势. 将催化性能与红外光谱结果关联后可知, 对于负载型样品B₂O₃/TiO₂-HTiNbO₅, 表面的BO₃和BO₄两种结构形式在环己酮肟气相Beckmann重排反应中具有协同促进作用.     

纳米氧化锰负载钛基电催化膜制备及处理含酚废水性能研究

以多孔钛膜为基膜,醋酸锰为锰源,采用溶胶凝胶法制备出负载纳米氧化锰的钛基电催化膜（nano-MnO_x/Ti膜）. 运用X射线衍射(XRD)、 X射线光电子能谱(XPS)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、循环伏安法(CV)、交流阻抗法（EIS）和计时电流法(CA)等测试手段,对MnO_x/Ti膜电极的微观形貌、晶型、电化学性能等进行表征. 结果表明：所得催化剂是由直径为50 nm的γ-MnO₂和Mn₂O₃纳米棒所组成,且均匀分布于Ti膜上,负载催化剂后钛膜电极电化学性能和催化性能明显提高,催化剂与基体之间键合的形成提高其稳定性. 以棒状nano-MnO_x/Ti膜电极为阳极构建电催化膜反应器(ECMR)处理含酚废水,当苯酚溶液浓度为10mmol·L^-1,电流密度为0.25mA·cm^-2、停留时间为15 min时,COD去除率可达95.1%.     

铜在碱性溶液中阳极过程的研究

用慢电势扫描和恒电流法研究铜在浓碱中的阳极过程,并用角分辨X射线光电子能谱测试了铜表面二次钝化膜。结果表明,该膜由内层Cu₂O和外层CuO-Cu(OH)₂组成,越靠近膜的表面,CuO/Cu(OH)₂含量比越小,吸附水越多。据此提出成膜的电化学氧化-表面转化历程。     

高度有序的二氧化钛纳米管阵列的制备及其光催化活性的研究

采用电化学阳极氧化法在钛表面构筑了一种结构有序、微米级的TiO₂纳米管阵列膜层. 考察了制备电压、氧化时间、溶液搅拌等实验参数对TiO₂纳米管阵列形貌和尺寸的影响. 应用SEM和XRD对膜层的形貌和晶型进行了分析和表征, 并通过TiO₂纳米管阵列膜对甲基橙的光催化降解, 研究了TiO₂纳米管阵列膜层结构与光催化活性的关系. 结果表明: 阳极电压和溶液搅拌对制备TiO₂纳米管阵列的结构起到关键的作用. 控制20 V电压制备的TiO₂纳米管阵列膜, 管长达2.6～3.3 μm, 经500 ℃热处理后具有最高的光催化活性, 其光催化性能明显优于一般的TiO₂纳米颗粒膜.     

镁合金在含F－的NaOH溶液中钝化行为的电化学研究

采用极化曲线、电容-电位曲线、Mott-Schottky分析以及电化学阻抗(EIS)等电化学方法研究了镁合金在含F^－ NaOH溶液中的阳极钝化行为. 结果表明, 在－1.2～1.8 V的电位范围内, 镁合金在含F^－的NaOH溶液中发生阳极钝化. 所形成的钝化膜表现出n型半导体的导电特性. 在0.7～1.8 V的电位范围内, 随着F^－浓度增大, 镁合金的阳极极化电流密度呈现出随着电位升高而逐渐增大的趋势, 随着F^－浓度增大这一趋势逐渐减弱. 并且F^－浓度的增大使得镁合金表面空间电荷层电容和钝化膜的载流子密度都不断减小. 通过极化曲线和电化学阻抗共同说明, 在5%的Na₂SO₄溶液中, NaOH溶液中阳极钝化后的镁合金随着钝化体系中F^－浓度的增加其耐蚀性逐渐减弱.     

热退火气氛对溶液法制备的Sb2S3薄膜组成、结构及光伏性能的影响

采用化学浴(CBD)法在TiO₂薄膜表面制备结晶性Sb₂S₃膜层, 获得了TiO₂/Sb₂S₃平板异质结, 并结合聚[2,6-{4,4-双-(2-乙基己基)-4H-环戊并[2,1-b;3,4-b']-二噻吩}-交替-4,7-(2,1,3-苯并噻二唑)](PCPDTBT)空穴传输层和MoO₃电极界面修饰层, 制备了FTO/TiO₂/Sb₂S₃/PCPDTBT/MoO₃/Au平板结构太阳能电池, 研究了CBD方法中热退火气氛对Sb₂S₃薄膜的组成、 结构及光伏性能的影响. 结果表明, 在N₂气氛下退火时, 所得的Sb₂S₃膜层不致密且含有Sb₂O₃杂相, 电池效率仅为0.90%; 而在N₂-S气氛下退火时, 硫会与杂相Sb₂O₃发生反应生成Sb₂S₃, 进而得到纯净、 致密、 平整的结晶Sb₂S₃膜层. 在平板结构太阳能电池中, 光生空穴对电池光电流的产生有明显的贡献; 随着Sb₂O₃杂相的消除, Sb₂S₃薄膜中载流子的复合减少且传输速率增大, 使太阳能电池器件中电子与空穴的收集效率和短路电流显著提高, 电池效率提高了1.34倍, 达到2.04%.     

溶胶-凝胶法制备硅系有机-无机杂化分离膜

以α-Al₂O₃多孔陶瓷片为载体,用溶胶-凝胶法制备有机-无机杂化分离膜.通过考察前驱物的组成及杂化溶胶的合成条件对制膜工艺过程的影响,得到了制备有机-无机杂化分离膜的各种适宜性参数.红外光谱(FTIR)分析结果表明,杂化溶胶的性能不仅决定分离膜的性能,而且对膜热处理过程中的龟裂有很大影响.膜层的厚度为1～2μm;在膜两侧压差为0.10MPa、n(PTMOS)/n(TEOS)=1.16时,膜对O₂/N₂,CO₂/N₂和CO₂/O₂的分离因子分别为2.30,4.31和1.17,渗透系数为75.81×10^-17,75.28×10^-17和72.78×10^-17m₃(STP)·m/(m₂·s·Pa).     

“Water-in-salt”聚合物电解质制备及其电化学性能研究

为提高柔性锂离子电池安全性和循环稳定性能,本实验以自由基聚合结合冷冻干燥得到的聚丙烯酰胺膜为电解质载体,引入21 mol·kg^-1 LiTFSI 高浓度电解液,得到“water-in-salt”聚合物电解质。通过聚合物膜的形貌和孔道结构表征,红外光谱分析,离子电导率及电化学稳定窗口测试等对其基本物化特性进行了研究。冷冻干燥得到的聚丙烯酰胺膜内部具有大量微孔结构,有利于电解液的载入。将该吸附了电解液的聚合物电解质膜与锰酸锂(LiMn₂O₄)正极和磷酸钛锂(LiTi₂(PO₄)₃)负极组装全电池进行充放电性能测试。结果表明,制得的柔性聚合物电解质具有良好的拉伸性能,高离子电导率(20°C,4.34 mS·cm^-1)和宽电化学稳定窗口(3.12 V)。以“water-in-salt”聚合物电解质为隔膜组装的LiMn₂O₄||LiTi₂(PO₄)₃ 全电池表现出优异的倍率性能和长循环稳定性。     

钛金属表面结构可控多层钛酸盐纳米管薄膜的制备和结构稳定性

在水热条件下, 通过控制反应温度和氢氧化钠的浓度, 在钛金属表面得到结构可控的多层钛酸盐纳米管薄膜. 根据扫描电子显微镜和高倍透射电子显微镜的观测结果, 认为钛金属表面多层钛酸盐纳米管薄膜的形成经历以下4个阶段: (1) 钛金属的水合和碱性钛酸盐水凝胶的生成; (2) 碱性钛酸盐水凝胶分解并形成层状Na₂Ti₃O₇; (3) 层状Na₂Ti₃O₇的生长; (4) 层状Na₂Ti₃O₇的劈裂和多层卷曲成轴形成纳米管. 研究了薄膜形成后机械处理对薄膜形貌和结构稳定性的影响, 并利用超声的方法实现了多层膜的层分离.     

有机碳源对LiTi2(PO4)3/C复合水系负极性能的影响

采用喷雾干燥与高温煅烧相结合的方法制备了球形LiTi₂(PO₄)₃/C复合水系负极材料, 探讨了基于不同包覆机制的有机碳源和碳包覆量对LiTi₂(PO₄)₃/C复合负极电化学性能的影响. 结果表明, 碳包覆量过低时不足以阻止水的侵蚀, 而碳含量过高时锂离子扩散的阻力过大, 磷酸钛锂电极最优碳包覆质量分数为13%. 碳包覆的均匀性和包覆层厚度是影响电极性能的两个重要因素. 基于原位聚合包覆机制的聚多巴胺包覆磷酸钛锂颗粒最均匀, 碳化后微晶结构较好, 具有良好的电子导电性, 以聚多巴胺为碳源制备的LiTi₂(PO₄)₃/C复合负极性能最优.     

纳米氧化锰负载钛基电催化膜制备及其苯甲醇催化氧化性能

利用乳液法制备出MnO_x纳米颗粒,将其负载于微孔管式钛膜制得MnO_x负载钛基电催化膜(MnO_x/Ti).运用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、循环伏安法(CV)和计时电流法(CA)等表征方法系统考察了不同焙烧温度下MnO_x晶型结构、MnO_x/Ti催化膜电化学性能以及催化氧化苯甲醇的变化规律.结果表明:随着焙烧温度的升高, MnO_x的晶型由初始的Birnessite-MnO₂逐渐转变为K_0.27MnO₂,再由Mn3O4最终转变为α-MnO₂.所得MnO_x/Ti膜中, α-MnO₂晶粒尺寸小于30 nm,结晶度较高,颗粒分布均匀.同时,由于其含有不饱和配位的锰原子和氧空位以及与基体Ti之间存在键合作用,表现出优异的电化学性能和催化性能.以450 ℃焙烧所得的α-MnO₂/Ti为阳极构建电催化膜反应器催化氧化苯甲醇.在反应温度为25 ℃, 50mmol·L^-1苯甲醇水溶液,电流密度为2 mA·cm^-2,停留时间为15 min的条件下,膜反应器苯甲醇转化率达64%,苯甲醛选择性为79%.     

ZnS/SiO2协同包覆光阳极制备高效率Zn-Cu-In-Se量子点敏化太阳能电池

通过光阳极协同包覆的策略抑制Zn?Cu?In?Se(ZCISe)量子点敏化太阳能电池(QDSC)中光阳极/电解液界面上的电荷复合过程,提高电荷收集效率和电池光伏性能。采用溶液法在ZCISe量子点敏化的光阳极表面依次沉积包覆ZnS和SiO₂双钝化层,实现较单一ZnS包覆层更有效的界面电荷复合抑制作用,从而提高QDSC的性能。在包覆ZnS/SiO₂双钝化层后,所组装的ZCISe QDSC光电转换效率由传统单一ZnS包覆的12.17%提高到13.23%,这归因于双钝化层对光阳极/电解液界面电荷复合过程的有效抑制,电荷收集效率得到相应提升。     

Gemini表面活性剂/C12En混合体系的界面吸附、扩张粘弹与泡沫稳定性

用表面张力法研究了阳离子gemini表面活性剂乙基-1, 2-双(十二烷基二甲基溴化铵)(简写为12-2-12)和非离子表面活性剂十二烷基聚氧乙烯醚(C₁₂E_n,其中n = 4, 10, 23)混合体系在气液界面上的吸附行为;用扩张流变技术研究了吸附膜的扩张粘弹行为,实验数据用Lucassen-van den Tempel (LVT)模型进行拟合并根据模型得到了极限弹性值.最后研究了混合体系的泡沫行为,用泡沫塌陷到初始高度一半所对应的时间(t_1/2)来表征泡沫的稳定性.结果表明,所有的非离子表面活性剂C₁₂E_n均与12-2-12产生了吸引作用.在12-2-12浓度相同的情况下,混合吸附层中吸附分子的最小分子占据面积的顺序为12-2-12/C₁₂E₂₃ > 12-2-12/C₁₂E₁₀ > 12-2-12/C₁₂E₄,而极限弹性的顺序为ε_{0, fit}(12-2-12/C₁₂E₄) > ε_{0, fit}(12-2-12/C₁₂E₁₀) > ε_{0, fit}(12-2-12/C₁₂E₂₃).与单组分12-2-12形成的吸附膜相比,只有12-2-12/C₁₂E₄形成更加紧密的结构.具有较小亲水头基的非离子表面活性剂C₁₂E₄的加入,可增强12-2-12吸附膜的弹性,进而增强了对应体系泡沫的稳定性.     

含四芳基咪唑结构的热重排气体分离膜的制备与性能研究

合成了一种新型含四芳基咪唑结构的二胺单体4,4’-(4,5-二苯基-(3-羟基-4-氨基苯氧基)苯基)咪唑(PMAPPP),然后分别与5种二酐单体聚合,经热酰亚胺化处理得到含羟基聚酰亚胺(HPI)薄膜.接着,对这些薄膜进行450℃热处理,得到相应的热重排(TR)膜材料,并对薄膜进行了结构与性能表征.结果表明,刚性大体积四芳基咪唑结构的引入使HPI膜表现出优异的热性能和力学性能,玻璃化转变温度在263～361℃,拉伸强度在98.4～118.3 MPa.热重排后,TR膜的气体分离性能得到了显著提高.其中,TR(PMAPPP-6FDA)的气体渗透性能最佳,即H₂ (269.31 Barrer)、CO₂ (284.25 Barrer)、O₂ (62.75 Barrer)和N₂(10.67 Barrer),CO₂/N₂和O₂/N₂的理想选择性分别为25.24和5.88,且O₂/N₂     

磺化纤维素纳米纤维多孔膜支撑的高通量纳滤膜的制备及脱盐性能

以细菌纤维素为原材料, 先后通过NaIO₄和NaHSO₃氧化还原反应制备了表面部分磺酸化的细菌纤维素(SBC)纳米纤维. 利用SBC纳米纤维多孔膜替代传统的超滤膜作为支撑底膜, 结合界面聚合反应调控制得复合纳滤膜, 并对其纳滤性能进行研究. 结果表明, 制备得到了对Na₂SO₄和MgSO₄具有高截留率(>96%)和超高分离通量(>320 L·m ^-2·h ^-1·MPa ^-1)的新型纳滤膜.     

N掺杂空心TiO2微球的合成与表征

采用无皂乳液聚合合成的聚苯乙烯(PS)微球为模板、氨水/三乙醇胺为催化体系, 通过溶胶-凝胶方法合成了PS/TiO₂(核/壳)复合微球, 然后通过煅烧制备了N掺杂、锐钛型空心TiO₂微球. 在反应体系中三乙醇胺扮演双重角色, 既是TiO₂生成及包覆过程的抑制剂又是空心TiO₂微球的N掺杂剂. 改变氨水、三乙醇胺和钛酸正丁酯用量可控制TiO₂壳的形态和尺寸. 氨水用量增加, PS/TiO₂复合微球的壳表面变得粗糙|三乙醇胺用量增加, 壳表面变得光滑|钛酸正丁酯用量提高导致壳层变厚. 改变三乙醇胺用量可调节空心TiO₂微球中的N掺杂量|N掺杂空心TiO₂微球具有可见光响应和光催化作用.