低含量铁掺杂纳米TiO2薄膜的制备及其抗菌机理研究

采用溶胶凝胶-浸渍提拉法,制备了玻璃基底上生长的Fe/TiO₂薄膜.利用XRD、XPS、AFM等对样品进行表征,研究了铁掺杂对TiO₂薄膜晶体结构和表面形貌的影响,并研究了不同掺铁量TiO₂薄膜对大肠杆菌的抗菌性能.结果表明,铁掺杂TiO₂薄膜的抗菌性能均优于纯TiO₂薄膜,其中掺铁量为0.1%时薄膜的抗菌性能最佳,高达98%.     

TiO2纳米管电极金属离子掺杂的表征

采用浸渍法对TiO₂纳米管电极进行Zn²⁺、Fe³⁺、Cu²⁺离子的掺杂改性,并进行了各种性能表征.扫描电镜(SEM)及X射线衍射光谱(XRD)结果表明,金属离子掺杂后的TiO₂纳米管电极依然保持了良好的表面形态及锐钛矿晶型,纳米管的直径为60-100 nm,其晶面主要为101面;可见紫外漫反射光谱(DRS)分析表明,进行掺杂的TiO₂纳米管电极的光学性质有不同程度的改变,Zn²⁺、Fe³⁺和Cu²⁺掺杂的TiO₂纳米管电极的禁带宽度分别为3.37 eV3、.14 eV、2.86 eV.这表明掺Cu²⁺的TiO₂纳米管电极的吸收边带发生了明显的红移.     

氧气氛烧结电极对染料敏化太阳电池微观性能影响机理研究

为了改善染料敏化太阳电池内电子的传输复合过程, 研究者尝试不同方法制备或改性TiO₂薄膜. 不同烧结气氛可以改变TiO₂薄膜的表面特性, 是一种有效的方法并被广泛研究. 采用两步烧结法制备氧气氛烧结TiO₂电极并应用于染料敏化太阳电池:第一步将电极在空气或氧气氛中510℃保温30 min以清除TiO₂薄膜中有机物; 第二步将电极进一步在氮气氛中510℃保温10 min以移除电极表面吸附的多余氧原子. 通过与空气烧结电池宏观性能及微观性能的对比, 细致研究了氧气氛烧结电极表面特性对染料敏化太阳电池传输复合微观动力学过程的影响机制. TiO₂薄膜表面特性及带边移动、电子传输复合过程的表征分别借助XPS能谱仪和强度调制光电流谱(IMPS)/强度调制光电压谱(IMVS)等探测技术完成. 结果表明, 氧气烧结电极Ti³⁺复合中心减少, 使电池内部电子复合得到有效抑制. 同时, 氧气烧结电极染料吸附量增加且导带边正移, 使得光生电子浓度升高, 膜内电子传输过程加快. 最终, 氧气烧结电极有效改善了电池光吸收效率、电子收集效率以及注入效率, 使电池效率由6.90%提升至7.53%.     

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。     

锰离子控制掺杂二氧化钛薄膜光催化活性增强的机理探讨

采用溶胶-凝胶法通过工艺控制制备了锰离子以不同形式掺杂TiO₂的光催化剂薄膜,并通过XPS和SEM对薄膜的结构进行表征.通过UV-Vis分光光度计及电化学工作站表征了薄膜的光吸收性能和光电化学性能,通过甲基橙溶液的光催化降解脱色率来表征催化剂薄膜的光催化活性.结果表明,以锰离子MT掺杂方式制备的TiO₂薄膜可明显增强TiO₂的光催化活性,而以MM掺杂方式制备的TiO₂薄膜反而降低了TiO₂的光催化活性;锰离子MT掺杂方式的最佳掺杂质量分数为0.8%.催化剂薄膜的电化学行为显示,薄膜具有p-n结的电容-电压特性,锰离子MT掺杂TiO₂薄膜的开路电位和瞬时光电流信号较强,说明其光生载流子易于生成并且分离效果较好.依据半导体的p-n结原理探讨了锰离子控制掺杂TiO₂的光催化活性机理.     

TiO2掺杂用于调变α-Al2O3中空纤维膜烧结性能与表面性质

利用相转化?高温烧结技术制备α?Al₂O₃中空纤维膜,系统研究了TiO₂掺杂调变中空纤维膜的烧结性能与表面性质。结果表明,TiO₂与α?Al₂O₃之间的固相反应能够促进中空纤维的烧结,当TiO₂掺杂量(物质的量分数)为1%~2%时,其烧结温度可以降到1400℃,且机械强度保持不变;TiO₂掺杂增加了中空纤维表面的羟基活性位点浓度,从而有利于CHA分子筛膜的生长;使用物质的量分数1%~3%TiO₂掺杂的α?Al₂O₃中空纤维制备出高质量CHA分子筛膜,其用于乙醇/水(9∶1,w/w)溶液渗透汽化脱水时的分离因子均超过10000。     

阳极氧化制备TiO2纳米管及其光催化性能

采用电化学阳极氧化法在纯Ti表面制备出结构整齐有序的TiO₂纳米管阵列, 研究了不同溶液体系对TiO₂纳米管尺寸和形貌的影响. 利用X射线衍射仪和场发射扫描电镜表征所制备的TiO₂纳米管. 20 V反应15 h, 0.5 wt% HF＋1 mol/L (NH₄)H₂PO₄溶液中TiO₂纳米管直径为70～90 nm, 长度约2.2 μm, 在500 ℃的空气气氛下退火1 h, 纳米管薄膜以锐钛矿结构为主, 在该条件下所制备TiO₂纳米管的光电流密度达到3.2 mA/cm². 以该纳米管薄膜为光阳极, 施加0.45 V (vs. SCE)的外加偏压, 在125 W紫外光照射5 h后, 初始摩尔浓度为20×10^－6 mol/L的酸性红G (C₁₈H₁₃N₃Na₂₀₈S₂)在pH＝3时, 降解率达到92.4%.     

金属Nd增强TiO2高硅氧纤维薄膜光催化性能及机理研究

用浸渍-提拉法在高硅氧玻璃纤维网格布上制备了具有优异光催化性能的金属Nd/TiO₂薄膜,甲基橙光催化降解实验表明Nd的掺杂对TiO₂催化剂薄膜的光学性能有明显的促进作用,当Nd的掺杂量为3 wt%时,表现出最优的光催化降解效果。采用XRD、SEM、UV-vis漫反射等分析方法对Nd/TiO₂薄膜进行表征分析,探讨光催化机理。结果表明:适量掺杂金属Nd能够细化TiO₂薄膜晶粒,得到分布致密均匀的锐钛矿型TiO₂薄膜;同时使TiO₂薄膜的拉曼和紫外可漫反射峰位红移,薄膜的禁带宽度从原来的3.15 eV减小到2.77 ev,促进了对紫外光的吸收,拓宽了TiO₂薄膜的光响应范围,增强了TiO₂薄膜的光催化活性。     

RGO-TiO2纳米管阵列的制备及其光电性能

采用阳极氧化的方法,通过调节阴、阳两电极间距制备不同壁厚的TiO₂纳米管阵列. 采用脉冲电还原沉积的方法将RGO负载于TiO₂纳米管阵列表面合成了RGO-TiO₂纳米管阵列. 相较于负载在薄壁TiO₂纳米管阵列上的RGO,负载于厚壁TiO₂纳米管阵列上的RGO得以充分还原,覆盖率大幅度提高,并显示出良好的光吸收性质和较低的电荷传输电阻,光电流大幅度增加.     

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.     

TiO2光电化学电池催化氧化甲基红

以钛基TiO₂薄膜为光阳极，研究了光电化学电池中阳极光催化降解偶氮染料甲基红的动力学. 结果表明，短接光电化学电池分隔了光催化过程的阴、阳极反应，有利于抑制光生载流子的复合，提高光催化氧化速率. 相同实验条件下短路光电流越大，则甲基红降解速率越高. 在基底和TiO₂薄膜之间夹层SnO₂得到组装电极Ti/SnO₂/TiO₂，进一步提高了光生载流子的分离效率；同时采用电化学阻抗谱（EIS）评价了电极的光催化性能.     

叶绿素敏化二氧化钛纳米管电极光电性能及其增强机理

为了研究叶绿素的敏化机理,本文以菠菜叶片叶绿素的乙醇浸提液敏化纳米管TiO_2电极,在Na2SO4水溶液电解液中测定其光电性能。敏化电极的光电流响应曲线显示,叶绿素浸提液敏化纳米管TiO_2电极时会显著改变电极的光电流值,而敏化Ti电极时则产生光电流极小。电极的循环伏安曲线则表明,叶绿素浸提液使电极上的氧化反应更容易发生。测定不同浓度的叶绿素浸提液敏化纳米管TiO_2电极的单色光光电转化效率(IPCE)图谱,结果表明,合适的叶绿素浓度(7.123~71.23μg/L)使电极IPCE平均增加2倍以上,但浓度增大至7123μg/L时,其敏化电极IPCE则明显降低;同时发现叶绿素的敏化作用未明显改变TiO_2电极IPCE图谱的特征谱峰位置。根据实验数据和结果,得出在水溶液中叶绿素改变纳米管TiO_2光电性能的机理,主要是通过叶绿素分子与TiO_2电极中的光生空穴发生反应,进而减少光生电子与空穴的复合,使电极有效光生电子数量增加,光电流密度增大,最终提高TiO_2电极的IPCE。     

Ti/TiO_2纳米管阵列/PbO_2-Pr电极制备及在电氧化有机废水中应用

以二氧化钛纳米管阵列(TiO_2NTs)为基体,利用脉冲电沉积的方法将Pr掺杂的PbO_2修饰到TiO_2NTs管中,制备出新型电极材料Ti/TiO_2NTs/nanoPbO_2-Pr用来降解有机废水。通过循环伏安测试(CV)和线性伏安法(LSV)等手段对电极性能进行评估,研究表明,新型电极材料Ti/TiO_2NTs/nanoPbO_2-Pr具有高的电催化活性。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)等对其进行表面形貌、晶形结构和元素组成进行研究。结果表明,通过脉冲电沉积成功将Pr-PbO_2沉积到TiO_2纳米管中,其中元素Pr是以Pr_2O_3形式存在。亚甲基蓝降解实验证明,Ti/TiO_2NTs/nanoPbO_2-Pr电极降解120min后亚甲基蓝的去除率高达99.8%。     

4.81%光电转换效率的全固态致密PbS量子点薄膜敏化TiO2纳米棒阵列太阳电池

A compact PbS quantum-dot thin film was prepared using the combination of TiO₂ nanorod arrays and 1, 2-ethanedithiol following the spin-coating assisted successive ionic layer absorption and reaction procedure. Solar cells with the novel structure of FTO/compact PbS quantum-dot thin film sensitized TiO₂ nanorod arrays/spiro-OMeTAD/Au were assembled. Subsequently, the influence of the length of TiO₂ nanorod arrays on the photovoltaic performance of all-solid-state compact PbS quantum-dot thin film sensitized solar cells was evaluated. The corresponding solar cells having TiO₂ nanorod array lengths of 290, 540, and 1040 nm achieved photoelectric conversion efficiencies (PCE) of 2.02%, 4.81%, and 1.95%, respectively. These results reveal that in order to achieve high PCE values with the all-solid-state quantum dot sensitized solar cells, it is very important to balance the hole diffusion length with the loading amount of quantum-dots.     

TiO2多孔薄膜电极的制备、微结构及光电化学性能研究

近年来,半导体纳晶多孔薄膜作为一类重要的纳米结构材料,其光电化学性质及功能特性的研究受到人们广泛关注。由于量子尺寸效应及介电限域效应,它们的光物理、光电化学性质以及电荷传输机理明显异于多晶及单晶体材料。通过简便快捷的涂敷、浸涂或溅射等方法,半导体纳晶多孔薄膜可以在导电衬底上形成。这些薄膜具有高度多孔性、大比表面,易于用有机功能分子或半导体超微粒进行表面修饰^[1-2],在太阳能转换^[2]、光电子器件或电子变色器件^[3]及光催化治理环境污染^[4]等方面具有潜在的应用前景。因此,在光电化学、半导体物理及材料科学领域里研究十分活跃。本文采用涂敷及浸涂提拉方法制备了四种具有不同多孔率及比表面的TiO₂薄膜电极,并对其晶型、表面形貌微结构及光电化学性能进行了研究。     

NiO/TiO2异质结构纳米管阵列膜对不锈钢的光生阴极保护及其储能性能

本工作通过修饰TiO₂制备半导体复合膜,提高其光吸收和光电化学性能,以期应用于光生阴极保护。先采用阳极氧化法在Ti表面制备TiO₂纳米管阵列膜,再应用水热处理法在膜表面沉积NiO纳米颗粒,形成具有异质结构纳米管复合膜。利用扫描电子显微镜、X-射线衍射、X-射线光电子能谱、紫外-可见吸收光谱、光致发光谱和光电化学技术对制备的纳米膜进行表征。结果表明,与纯TiO₂纳米管膜比较,NiO/TiO₂纳米管复合膜的光吸收扩展到可见光区。白光照射下,其在0.5 mol·L^?1 KOH和1 mol·L^?1 CH3OH混合液中的光电流密度达到176μA·cm^?2,是纯TiO₂纳米管膜的2倍。复合膜具有良好的光生阴极保护作用,与0.5 mol·L^?1 NaCl溶液中的403不锈钢耦连后,可使其电极电位下降440 mV,在光照2.5 h再转为暗态后,因具有电荷储存能力还可继续提供约15.5 h的阴极保护效应。     

Influence of adding carbon nanotubes on photoelectric conversion properties of dye-doped titania gel

Multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) were incorporated into amorphous dye-doped titania gel by the sol?Cgel method at room temperature. The working electrodes were prepared by coating the ITO glass with the sol?Cgel titania precursor containing the dye and MWCNTs. The photoelectric conversion properties of the electrodes were examined by simple spectroscopic and electric measurements. The photocurrent spectrum originated from the absorption of the dye. The short circuit photocurrent was enhanced by adding a small amount of MWCNTs evenly to the amorphous dye-doped titania gel. The open circuit voltage was due to the semiconducting characteristics property of the titania gel. The experimental results indicated the electron transport from the dye excited states to the MWCNTs through the titania gel. The MWCNTs functioned as bridges between the titania and ITO. Steam treatment of the titania gel electrodes significantly increased the photoelectric performance due to crystallization of the titania and enhancement of the dye?Ctitania interaction forming the chelate complex on the titania particle surface.     

钛片热氧化法制备光敏电极的研究

本文研究了以钛片为基底的TiO₂多晶薄膜电极的制备条件。发现在钛片热氧化和TiO₂膜的还原时,在气流中添加少量的水蒸气可解决TiO₂膜与基底结合不良的问题。制备了不同膜厚的光敏电极,研究了膜厚和光电流的关系。用热导法观察了氢气气氛下还原TiO₂的现象,研究了半导体化温度对光电流的影响。用制得的电极在日光下分解水制氢,能量转换效率为1.2%。     

The role of n–p junction electrodes in minimizing the charge recombination and enhancement of photocurrent and photovoltage in dye sensitized solar cells

The composite electrode comprising n-type TiO₂ and p-type NiO oxides when sensitized with Ru-dye showed short-circuit photocurrent (I_sc) of 17 mA/cm² and open-circuit photovoltage (V_oc) of 730 mV compared to I_sc of 12 mA/cm² and 700 mV for TiO₂ electrodes. Formation of a n–p junction between TiO₂ and NiO oxide layers contributes to the enhanced photocurrent, photovoltage, fill factor and efficiency. In addition to the junction effect, NiO acts as a barrier for charge recombination leading to higher cell performance. The efficiency of the NiO coated TiO₂ solar cell is 30% more than that of bare TiO₂. The negative shift of the flat-band potential of the NiO coated TiO₂ electrode compared to TiO₂ also could be one of the reasons for higher photovoltage observed for TiO₂/NiO electrode. The highest cell efficiencies were obtained immersing TiO₂ thin films in Ni²⁺ solution and converting them to NiO by firing and the optimum NiO coating thickness was found to be only a few angstroms. The energy levels of the excited dye and the band positions of TiO₂ and NiO suggest that the electron transfer from the excited dye to the underlying n-type oxide layer occurs by tunneling through the p-type NiO layer.     

ZnSe/MoO_3/TiO_2复合膜的制备及其光生阴极保护效应

针对TiO_2半导体不能有效吸收可见光,光电转换效率较低等问题,可通过对TiO_2半导体进行修饰和改性,制备TiO_2复合材料,提高其光电化学性能。因此,本工作以Ti表面制备的TiO_2纳米管膜为基础,分别应用循环伏安电沉积法和脉冲电沉积法在膜表面先后沉积MoO3和ZnSe颗粒,获得具有级联能带结构的ZnSe/MoO3/TiO_2纳米管复合膜,并将其应用于对403不锈钢(403SS)实施光生阴极保护。相较于纯TiO_2纳米管膜,紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱和光致发光(PL)谱测试表明,ZnSe/MoO3/TiO_2复合膜的吸收边红移,在可见光区具有良好的光吸收性能,光生载流子复合得到更有效抑制。光电化学测试表明,白光照射下,处于0.5 mol·L~(-1) KOH溶液中的ZnSe/MoO3/TiO_2复合膜的光电流密度达到了同条件下纯TiO_2膜的2倍,可使与之耦连的浸泡于0.5 mol·L-1 NaCl溶液中的403SS电极电位下降470 mV,显示出良好的光生阴极保护效应。复合膜还具有一定的储能特性,在光照后又转为暗态的22.5 h内仍对403SS具有一定阴极保护作用。