低温吸附制备Au-TiO2复合薄膜及其光电化学性质

在低温条件下将预先合成的Au溶胶吸附到TiO₂薄膜上以制备纳米Au-TiO₂复合薄膜,以超高分辨率场发射扫描电镜(FESEM)、X射线衍射(XRD)及X射线光电子能谱(XPS)表征Au-TiO₂膜,并在UV辐照下测定了Au-TiO₂薄膜电极的光电化学性质。纳米Au呈金属态,平均粒径为(4.3±1.2) nm,负载量高,均匀地沉积于TiO₂薄膜表面。光电化学测试表明,沉积纳米Au后,TiO₂电极的光生电流提高近5倍,光生电压明显向负值增大,说明纳米Au可增强光生载流子的分离效率,促进电荷在电极与溶液界面间的转移。Au-TiO₂电极的电荷传递法拉第阻抗(R_ct)是TiO₂电极的一半,说明负载的纳米Au粒抑制了光生电子-空穴的复合,提高了电极中载流子浓度。     

B离子掺杂TiO2催化剂(TiO2－xBx)光催化活性的研究

采用溶胶-凝胶法制备出纳米TiO₂和TiO_2－xB_x催化剂. 光催化实验证明, TiO_2－xB_x催化剂的紫外、可见光催化活性均高于TiO₂. XRD, XPS和Raman结果表明, B离子是以取代式掺杂占据了TiO₂的O^2－的晶格位置. UV-Vis和PL谱的结果表明, B离子的2p轨道与O的2p轨道形成混合价带, 产生可见光响应, B离子的掺入有效地阻止了光生载流子的复合, 促进了其分离, 是TiO_2－xB_x催化剂紫外、可见光催化活性提高的主要原因.     

TiO2纳米棒和CdSe纳米棒复合膜与聚3-甲基噻吩杂化太阳能电池研究

采用水热法制备了TiO₂和CdSe两种纳米棒材料, 将两种纳米材料制备成TiO₂/CdSe复合纳米棒膜电极, 并在复合膜上电化学聚合生成聚3-甲基噻吩poly(3-methylthiophene) (PMeT), 研究了其光电化学性能. 实验表明, 当TiO₂与CdSe的物质的量复合比为2∶1, PMeT的聚合时间为40 s, 在电极电势为－0.2 V下ITO/TiO₂/CdSe/PMeT电极光电转换效率(IPCE)达到56%, 对比ITO/TiO₂/CdSe复合膜电极在长波方向的光电转换效率明显提高, 光吸收截止波长发生了明显的红移. 同时以ITO/TiO₂/CdSe/PMeT组装了简易的杂化太阳电池, 初步研究了光电池性能, 光电池总效率为0.08%, V_oc＝0.4 V, j_sc＝0.61 mA/cm², ff＝0.33.     

TiO2纳米微球的制备及在染料敏化太阳能电池中的应用

以四氯化钛、盐酸为原料,制备出花状TiO₂纳米微球,利用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）等测试方法,对样品的结构和形貌进行了表征。为了提高TiO₂微球电池的光电性能,利用TiO₂微球作为反射层构造了双层结构的薄膜电极,结果表明,双层结构染料敏化太阳能电池在100 mW·cm^-2（1.5 G）光照条件下,短路光电流J_sc为17.64 mA·cm^-2,开路光电压Voc为0.74 V,填充因子FF为0.63和光电转化效率η为8.33%。相比TiO₂微球制备的太阳能电池,双层结构染料敏化太阳能电池光电转化效率提高至5.3倍。最后对电极中染料的吸附量、电极的光散射性能和电池的电化学阻抗做了进一步研究和分析,研究表明,双层结构电池增强光的捕获能力,从而提高光伏性能。     

CdS/TiO2纳米管复合结构的制备与光电性能研究

利用阳极氧化法在钛金属基体表面制备一层TiO₂纳米管阵列薄膜, 然后通过水热反应在TiO₂纳米管上负载CdS纳米粒子, 形成CdS/TiO₂纳米管的复合结构。利用SEM、XRD、XPS、UV-Vis等手段对其形貌和结构进行表征。进一步考察了CdS/TiO₂纳米管的光电性能和光催化活性, 结果表明, 相比于TiO₂纳米管, CdS/TiO₂纳米管复合结构在紫外光和可见光下都具有更好的光催化活性及光电性能。     

SnO2TiO2 复合半导体纳米薄膜的研究进展

本文概述了SnO₂TiO₂ 复合半导体纳米薄膜的发展历史和研究现状,对比分析了“混合”、“核壳”和“叠层”3 种复合薄膜的结构和性能特点,着重论述了叠层结构的SnO₂ /TiO₂复合薄膜的光电化学和光催化特性。结合作者的研究工作,探讨了SnO₂ /TiO₂双层复合薄膜上下层厚度对其光催化活性的影响,指出复合薄膜光催化活性的提高可归因于电子从TiO₂ 向SnO₂ 的迁移。最后对SnO₂ /TiO₂复合薄膜的局限性和发展潜势做一简要分析,强调了该复合薄膜本身的应用特点。     

染料敏化太阳能电池中大孔TiO2薄膜电极的制备及应用

采用溶胶-凝胶水热法制备了TiO₂纳晶薄膜电极，晶型为锐钛矿型。为了提高电极的光电性能，利用聚苯乙烯小球做造孔剂，制备了含有大孔隙的TiO₂纳晶薄膜电极，孔径约为200 nm，该电极具有较好的光漫反射性能，更重要的是球形大孔的存在，提高了凝胶电解质在TiO₂薄膜电极中的渗透和I₃^-离子的扩散性能，与不含大孔的TiO₂电极相比，电池的短路光电流提高约2 mA·cm^-2，光电转换效率提高0.6%。     

表面修饰的TiO2太阳能电池界面特性研究

用水热法制备了具有典型锐钛矿晶型的TiO₂纳米材料,采用Cr(NO₃)₃对TiO₂薄膜电极进行修饰改性。用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和光电子能谱(XPS)测试电极的物相及表面结构,结果显示TiO₂薄膜表面包覆一层粒径较大的氧化铬颗粒,整个电极仍保持均匀的多孔结构。电流-电压(Ⅰ-Ⅴ)曲线测试结果显示,改性后最佳电极的短路电流和光电转换效率分别比改性前提高了31.1%和40.4%。用电化学阻抗谱(EIS)测试电池的界面特性,从测试结果可以看出,相同偏压下,改性后电池的TiO₂/染料/电解质界面电阻更大,说明氧化铬包覆层在一定程度上抑制了界面的电子复合,改善了电池的光电输出特性。     

聚3-甲基噻吩修饰硫化物量子点连接纳米结构TiO2膜的光电化学研究

采用原位化学法在纳米结构TiO₂膜上制备了量子点CdS, PbS (Q-CdS, Q-PbS), 并用电化学方法在TiO₂/Q-CdS, TiO₂/Q-PbS表面聚合3-甲基噻吩[poly(3-Methylthiophene, PMeT)]. 用光电化学方法研究了PMeT修饰Q-CdS, Q-PbS连接TiO₂纳米结构膜, 实验结果表明, PMeT和Q-CdS, Q-PbS单独修饰纳米结构TiO₂电极和PMeT修饰Q-CdS, Q-PbS连接纳米结构TiO₂电极的光电流产生的起始波长都向长波方向移动; 一定条件下在可见光区光电转换效率均较纳米结构TiO₂的光电转换效率有明显的提高; 聚3-甲基噻吩(PMeT)与Q-CdS, Q-PbS连接的纳米结构TiO₂之间存在p-n异质结. 在一定条件下p-n异质结的存在有利于光生电子/空穴的分离, 在本文实验条件下PMeT修饰Q-CdS, Q-PbS连接纳米结构TiO₂电极最高的单色光的光电转换效率分别为11%和7%.     

Photoelectrochemical oxidation behavior of methanol on highly ordered TiO2 nanotube array electrodes

The highly ordered titanium dioxide nanotube array (HOTDNA) electrodes were prepared in hydrofluoric acid solution by electrochemical anodic oxidation technique on a pure titanium sheet. The HOTDNA electrodes were characterized by X-ray diffraction, SEM microscopy, and UV–vis spectra. It has shown high density, well ordered and uniform titanium dioxide nanotube array film covered on these electrodes and the TiO₂ structure depending on the heating condition, the anatase phase of TiO₂ appeared when heating to 500 °C. The photoelectrochemical characteristics of methanol in 0.5 M Na₂SO₄ on the HOTDNA electrodes were investigated. The cyclic voltammetry, photocurrent-time and open-circuit photopotential response of methanol on the HOTDNA electrode were represented and significant photogenerated current was observed upon illumination in the UV regions with the light of 253.7 nm central wavelength. The effect of variables such as light intensity, applied potential, and methanol concentration on the photoelectrochemical response was investigated. It was found that the photocurrent was greatly influenced by these factors.     

Bi2S3量子点敏化TiO2纳米阵列结构的制备及光电性能研究

利用水热法制备一维TiO₂纳米棒阵列,并采用化学浴沉积法(CBD)结合自组装技术在TiO₂纳米棒上敏化Bi₂S₃量子点,形成TiO₂/Bi₂S₃复合纳米棒阵列.系统研究了复合结构的表面形貌、晶体结构、光学及光电性能.结果表明:在修饰有三氨丙基三乙氧基硅烷自组装单分子膜(APTS-SAMs)的TiO₂纳米棒表面形成一层致密的Bi₂S₃量子点敏化层,这一技术的关键是含-NH₂末端的APTS-SAMs可有效促进Bi₂S₃的异相成核作用;Bi₂S₃的沉积时间对复合结构的光吸收及光电响应性能有决定性的影响,薄膜的光电流随着沉积时间呈先增加后减小的趋势,在沉积时间为20 min时,光电流密度最大.这是因为随着沉积时间的增加,TiO₂纳米棒表面Bi₂S₃量子点密度增大,光吸收增加;而当沉积时间进一步延长时,Bi₂S₃在TiO₂纳米棒表面的大量负载而形成堆积和团聚,导致表面缺陷增多,光生电子复合几率增大,从而使光电流密度减小.     

Bi2S3量子点敏化TiO2纳米阵列结构的制备及光电性能

利用水热法制备一维TiO₂纳米棒阵列,并采用化学浴沉积法(CBD)结合自组装技术在TiO₂纳米棒上敏化Bi₂S₃量子点,形成TiO₂/Bi₂S₃复合纳米棒阵列。系统研究了复合结构的表面形貌、晶体结构、光学及光电性能。结果表明:在修饰有三氨丙基三乙氧基硅烷自组装单分子膜(APTS-SAMs)的TiO₂纳米棒表面形成一层致密的Bi₂S₃量子点敏化层,这一技术的关键是含-NH₂末端的APTS-SAMs可有效促进Bi₂S₃的异相成核作用;Bi₂S₃的沉积时间对复合结构的光吸收及光电响应性能有决定性的影响,薄膜的光电流随着沉积时间呈先增加后减小的趋势,在沉积时间为20min时,光电流密度最大。这是因为随着沉积时间的增加,TiO₂纳米棒表面Bi₂S₃量子点密度增大,光吸收增加;而当沉积时间进一步延长时,Bi₂S₃在TiO₂纳米棒表面的大量负载而形成堆积和团聚,导致表面缺陷增多,光生电子复合几率增大,从而使光电流密度减小。     

三维有序结构In掺杂TiO_2薄膜的可见光催化活性

采用自组装生长聚苯乙烯胶体模板和溶胶-凝胶法,制备出三维(3D)有序结构In掺杂TiO2(IO-TiO2-In)薄膜可见光催化剂.光催化实验证明,IO-TiO2-In薄膜降解甲醛的可见光活性是TiO2和三维有序结构TiO2(IOTiO2)薄膜的5倍.利用X射线电子衍射(XRD)谱、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)和紫外-可见(UV-Vis)漫反射吸收光谱确定了催化剂的晶相结构、表面微结构和能带结构.结果表明,IO-TiO2-In薄膜具有锐钛矿型三维有序结构,与TiO2相比,增加了比表面积,提高光的利用率;掺入的In离子在薄膜表面形成In2O3和O-In-Clx(x=1,2)物种,既增强可见光的吸收,又有效地促进了光生载流子的分离,提高了光生载流子在固/气界面参加光催化反应的利用率,使催化剂的可见光催化活性显著提高.     

A Photoelectrochemical Biosensor Fabricated using Hierarchically Structured Gold Nanoparticle and MoS2 on Tannic Acid Templated Mesoporous TiO2

In a tannic acid assisted synthesis of mesoporous TiO₂, tannic acid was used as a cost effective and non‐toxic template for pore formation. Meanwhile, a gold nanoparticles (Au NPs) deposited TiO₂ nanocomposite was coated on an indium tin oxide electrode for the fabrication of a photoelectrochemical (PEC) biosensing system. Upon the formation of anatase structure, the electrode was coated with MoS₂ for effective visible light absorption. The mesoporous structure led to an enhanced surface area by improving Au NPs and glucose oxidase adsorption. Incorporation of Au NPs led to an enhanced photonic efficiency due to the generation of Schottky barriers. The obtained nanocomposite was used for the light‐driven, real‐time, and selective PEC glucose sensing. Under visible light irradiation, the enzyme immobilized electrodes yielded significant photocurrent improvement owing to the releasing electron donor H₂O₂. The obtained PEC biosensor demonstrated acceptable reproducibility and stability with a sensitivity of 4.42 μA mM^?1 cm^?2 and a low detection limit of 1.2 μM glucose. Also, the linear measurement range was found to be 0.004–1.75 mM glucose. The results indicated that the proposed production method of mesoporous TiO₂ will pave the way for a green chemistry based porous material production, along with the extension of the implementation of semiconductors in PEC biosensing systems.     

FeO(OH)-TiO2/CoPi复合光阳极的制备及其光电催化氧化水性能

采用溶胶-凝胶法制备了TiO₂ 纳米晶, 并通过浸渍技术在其表面引入了FeO(OH). 采用紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱确定了引入FeO(OH)的最佳Fe³⁺浓度. 通过电化学法在FeO(OH)-TiO₂光阳极上沉积了催化水分解制备氧气的钴基催化剂(CoPi), 得到了FeO(OH)-TiO₂/CoPi 复合光阳极. 利用透射电镜(TEM), 高分辨透射电镜(HRTEM), X射线衍射(XRD), 扫描电镜(SEM)对TiO₂纳米晶, FeO(OH)-TiO₂以及FeO(OH)-TiO₂/CoPi复合光阳极进行了表征, 采用电化学和光电化学技术研究了中性条件下FeO(OH)-TiO₂/CoPi 复合光阳极的光电催化分解水性能. 结果表明, TiO₂纳米晶为梭形的锐钛矿, 其表面修饰的FeO(OH)为针铁矿型, 且当前驱体溶液中Fe³⁺与TiO₂的质量比为0.05%时得到的FeO(OH)-TiO₂具有最佳的光吸收效果. 形成FeO(OH)-TiO₂/CoPi复合光阳极后, 在光照条件下CoPi 电催化分解水制备氧气的过电位显著降低. TiO₂表面FeO(OH)的引入增加了光阳极对可见光的吸收能力, 同时光阳极表面沉积的CoPi有效地利用了FeO(OH)-TiO₂产生的光生空穴, 将水氧化形成氧气, 从而在光照条件下显著提高了CoPi催化氧化水的效率.     

Titania nanocomposite films derived by modified sol-gel process for photovoltaic application

Titania nanocomposite films were fabricated by spin-coating from sol-gel derived pastes of TiO₂ powder in titanium isopropoxide sol. The thin films were characterized for structural, optical and hydrophilic properties and evaluated as electrodes in a photoelectrochemical cell. Addition of TiO₂ powder increased film thickness, reduced transmittance, water contact angle and electrochemical impedance, and promoted photocurrent generation. Increasing Triton X-100 surfactant loading in the composite slurry influenced film texture and transmittance, and the resultant films exhibited a lower photocurrent yield but were more hydrophilic to favor charge transfer at the electrode/electrolyte interface. The aggregation of TiO₂ particles of different sizes in the composite film facilitates light-scattering and electron transport to enhance quantum efficiency. The addition of Triton X-100 surfactant influences the distribution of scattering centers to increase transparency.     

表面修饰的TiO_2太阳能电池界面特性研究

用水热法制备了具有典型锐钛矿晶型的TiO2纳米材料,采用Cr(NO3)3对TiO2薄膜电极进行修饰改性。用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和光电子能谱(XPS)测试电极的物相及表面结构,结果显示TiO2薄膜表面包覆一层粒径较大的氧化铬颗粒,整个电极仍保持均匀的多孔结构。电流-电压(I-V)曲线测试结果显示,改性后最佳电极的短路电流和光电转换效率分别比改性前提高了31.1%和40.4%。用电化学阻抗谱(EIS)测试电池的界面特性,从测试结果可以看出,相同偏压下,改性后电池的TiO2/染料/电解质界面电阻更大,说明氧化铬包覆层在一定程度上抑制了界面的电子复合,改善了电池的光电输出特性。     

Molecular Assembly by Sequential Ionic Adsorption of Nanocrystalline TiO2 and a Conjugated Polymer

Abstract

Cationic nanocrystalline TiO₂ particles have been synthesized for which the size and composition of the nanoparticles were analyzed by a transmission emission microscopy and energy dispersive x‐ray spectrometer (EDXS). Multilayered films have been fabricated by sequential adsorption of TiO₂ nanoparticles and poly(3‐thiophene acetic acid) (PTAA). Each layer of the nanoparticles and PTAA in the thin film has also been characterized by x‐ray photoelectron spectroscopy, atomic force microscopy, and UV‐visible spectroscopy. These types of multilayered nanocomposite films may find applications in the fabrication of efficient light harvesting photovoltaic cells.     

TiO2纳米管阵列覆盖Si薄膜光催化还原CO2性能的研究

本工作采用CVD法在阳极氧化TiO2纳米管阵列膜表面沉积一层非晶Si膜,通过退火后得到晶化了的Si膜/TiO2纳米管阵列的复合结构,并初步就其光催化还原CO2制备碳氢化合物的活性进行研究。拉曼光谱(Raman)、X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FE-SEM)、高分辨透射电子显微镜(TEM)等微结构表征结果表明所制备的TiO2纳米管阵列的厚度为270 nm左右,管直径约为70 nm,管壁厚度约为16 nm。覆盖的Si膜已晶化,其厚度约为300 nm。通过高效液相色谱(HPLC)及总有机碳(TOC)来检测光催化还原液相产物中的甲酸及总有机碳含量,发现负载Si膜后的TiO2纳米管阵列光催化性能有所提高,在装有400cut滤光片氙灯照射2 h下TOC含量从21.2 mg.L-1增长到29.5 mg.L-1,表明Si与TiO2的复合可有效的提高光催化还原CO2的活性,这可能与该异质结结构可增加对光的吸收并且可降低光生空穴-电子对复合有关。光催化循环实验表明所制得的催化剂在循环5次后仍可保持91.6%的催化活性。