光电化学水氧化用多孔单晶金红石TiO2纳米棒阵列光阳极的设计和构建

光电化学电池(如染料敏化太阳能电池、量子点敏化太阳能电池以及光电化学水分解电池)是实现太阳能转化及存储的有效手段之一.其中,光电极是光电化学电池的核心组成部分,它集光吸收、光生电荷输运及转移等决定光转化效率的关键过程于一身,因此构筑高活性半导体光电极以实现高效太阳能转化利用引起研究者广泛关注.多孔TiO2纳米颗粒堆垛薄膜光阳极因具有大的比表面积,可提供更多的染料(量子点)担载和反应活性位点,在光电化学电池中表现出优异活性而被广泛研究.然而, TiO2纳米颗粒间大量存在的晶界对光生电荷有较强的散射作用,降低了光生电荷的收集效率.英国牛津大学Snaith研究小组利用模板辅助水热过程首次获得了(001)晶面占优的多孔单晶锐钛矿TiO2微米颗粒,这种多孔单晶TiO2微米颗粒在具有大比表面积的同时,其单晶结构还能有效去除晶界对电荷的散射作用,因而具有优异的电荷输运特性.利用这种多孔单晶TiO2微米颗粒组建的光阳极用于染料敏化太阳能电池中,展现出优异的太阳能光电转化性能.受该工作启发,各种形貌的多孔单晶TiO2微米颗粒作为光催化剂和光电化学分解水用光阳极材料被广泛研究,并表现出优异活性.在单晶微米颗粒堆垛成的薄膜光电极中,虽然单个单晶微米颗粒中晶界对电荷的散射作用被有效抑制,但是单晶颗粒间的晶界仍然存在并影响光生电荷的收集效率.为了彻底抑制晶界对光生电荷的散射作用,每个单晶颗粒都应该贯穿整个薄膜,例如一维TiO2纳米棒单晶阵列薄膜.虽然一维单晶阵列薄膜能够有效提高光生电荷的收集效率,但相对于多孔薄膜具有较小的比表面积,限制了担载染料(量子点)和反应位点的数量.为了增大TiO2单晶纳米棒阵列薄膜的比表面积,目前主要的手段包括调控纳米棒长径比、表面修饰TiO2纳米颗粒以及二次生长构建TiO2枝晶阵列.本文首次提出通过制备多孔单晶TiO2纳米棒单晶阵列薄膜来获得高比表面积和高光生电荷收集效率的光阳极,提高光电化学电池的效率.在透明导电薄膜(FTO)表面利用水热生长TiO2纳米棒阵列薄膜之前,预先在FTO基体上沉积一层SiO2球密堆模板, TiO2纳米棒单晶阵列在从FTO表面向上生长过程中,会将SiO2球模板包裹进TiO2纳米棒中,再通过碱溶液将SiO2球模板溶解,首次在FTO基体上原位生长出多孔单晶TiO2纳米棒阵列薄膜.将所得多孔单晶金红石TiO2纳米棒阵列薄膜作为光电化学分解水电池光阳极,其光电化学分解水活性相对于实心单晶金红石TiO2纳米棒阵列提高了2.6倍.多孔单晶金红石TiO2纳米棒阵列光阳极性能的提升可归因于：(1)多孔结构赋予多孔单晶金红石TiO2纳米棒阵列薄膜更大的比表面积,可提供更多的反应活性位点;(2)多孔结构能够有效缩短单晶金红石TiO2纳米棒中光生电荷体相输运距离,提高光生电荷的收集效率;(3)多孔结构通过对光多次反射吸收可有效增强光吸收,产生更多光生电荷参与水分解反应;(4)在制备过程中引入Si掺杂,导致多孔单晶金红石TiO2纳米棒带隙扩大了0.1 eV,带隙增大归因于导带位置负移0.1 eV,光生电子具有更强的还原能力,光电流起始电位相应负移约0.1 V.     

P3HT修饰一维有序壳核式CdS/ZnO纳米棒阵列复合膜的光电化学性能

采用电化学方法在铟锡氧化物(ITO)导电玻璃上制备了高度有序的ZnO纳米棒阵列, 在ZnO纳米棒阵列上先后电化学沉积CdS纳米晶膜及聚3-己基噻吩(P3HT)薄膜得到P3HT修饰的一维有序壳核式CdS/ZnO纳米阵列结构, 并通过扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、能量散射X射线(EDX)等表征手段证实了该结构的形成. 以此纳米结构薄膜为光阳极组装新型半导体敏化太阳电池, 研究了CdS纳米晶膜的厚度和P3HT薄膜的沉积对电池光伏性能的影响, 初步探讨了电荷在电池结构中的传输机理, 结果表明, CdS纳米晶膜和P3HT薄膜的沉积有效地拓宽了光阳极的光吸收范围, 实验中电池的光电转换效率最高达到1.08%.     

种子层对TiO2纳米棒阵列取向生长及界面态的影响

利用水热法制备了金红石相的单晶TiO2纳米棒阵列, 利用扫描电子显微镜(SEM)、Ｘ射线衍射仪(XRD)、紫外可见分光光度计(UV-Vis)以及表面光电压谱仪(SPS)研究了其形貌、结构以及光电性质. 通过不同生长基底对比实验发现F掺杂SnO2导电玻璃基底和种子层对纳米棒阵列的生长起决定作用, TiO2种子层与SnO2:F基底晶格匹配, 有利于晶体外延生长, 使TiO2纳米棒阵列的取向性更强. 根据场调制表面光电压测量结果, 金红石相的TiO2与基底界面处的能带向上弯曲, 在FTO/TiO2界面存在大量界面态, 这些界面态可能成为光生载流子的复合中心. 实验结果表明引入种子层不仅有利于TiO2纳米棒的取向生长, 而且极大地减少界面态, 有望提高电荷的收集效率.     

一步水热法制备TiO2复合结构及光伏性能

采用一步水热法制备TiO2纳米棒阵列,研究了无水乙醇作为前驱物替换去离子水对纳米棒阵列的形貌的影响。实验发现,当无水乙醇的含量达到100%的时候,在生长的TiO2纳米棒阵列的上面获得一层以TiO2纳米棒为基本单元的微米球,从而制备出TiO2复合纳米阵列薄膜。通过XRD和TEM发现,样品为单晶四方金红石结构TiO2构成的阵列薄膜,将样品组装成染料敏化太阳能电池后,电池的开路电压和短路电流分别为Voc=0.63 V,Jsc=10.9 mA·cm-2,填充因子FF=56.3%,转换效率达到η=4.1%。     

{111}晶面暴露对介孔金红石TiO_2单晶光催化产氢的促进作用（英文）

光催化反应发生在半导体材料的表面,材料表面的原子/电子结构直接影响光催化剂的活性或选择性.因此,发展具有特定晶面的半导体光催化剂受到各国学者的普遍关注,被认为是调控光催化材料性能的有效途径之一.自2008年yang等首次合成高表面能{001}晶面占优的锐钛矿Ti O2单晶以来,控制合成暴露不同晶面Ti O2晶体的研究得到了迅猛的发展,已发展了多种方法合成了具有不同晶面的Ti O2晶体.研究表明,选择性地暴露特定的活性晶面能够显著地提高光催化剂的活性或者改变光催化反应的选择性.但是,含有完整晶面构型的Ti O2单晶样品的颗粒尺寸一般都较大,通常为几微米,因而显著增加了光生载流子传输与分离的难度,并且导致材料较小的比表面积,限制了对光催化活性的进一步提高.能否在合成含特定晶面单晶的同时增加多孔结构成为有效解决这一问题的关键.最近,Crossland等采用晶种模板法成功合成了介孔的锐钛矿Ti O2单晶,并且通过光电器件研究证实了采用该思路可进一步提高材料的光电性能.金红石Ti O2在光催化全分解水方面具有独特的优势,然而关于多孔单晶金红石Ti O2的研究相对较少,尤其是合成热力学不稳定的高表面能{111}晶面完全暴露的多孔金红石单晶面临较大的技术挑战因而一直未见文献报道.本文利用晶种模板法,以Ti Cl4溶液为含Ti前驱体、Na F为形貌控制剂、采用水热处理制备出不同比例{111}晶面的介孔金红石单晶.我们前期工作表明,Na F可作为形貌控制剂合成低表面能{110)晶面占优的介孔金红石单晶.本文发现,通过改变Na F的添加量,可有效调变{111}/{110}晶面比例,最终合成完全暴露{111}高表面能的介孔金红石Ti O2单晶.扫描电镜结果显示,当添加20 mg NaF时,合成{110}占优的具有高长径比的介孔晶体;当Na F用量增加到40 mg时{110}晶面进一步缩短;至80 mg时则制备出{111})高能面完全暴露的金红石Ti O2晶体.值得注意的是,对比研究表明,不采用模板合成了与多孔晶体完全相对应的不同{111}/(110}晶面比例的实心金红石晶体.透射电镜及选区电子衍射以及结合X射线衍射进一步证实,多孔的金红石Ti O2晶体与实心金红石单晶均都为单晶结构,孔结构贯穿于样品内部且具有较高的晶面结晶性.氮气吸附实验发现,虽然三个不同晶面比例介孔金红石单晶样品间的形貌具有显著的差异,但比表面积非常相近(分别为24,25,28 m2/g),孔径也都为50 nm左右,该值与所用SiO 2模板球的直径以及TEM观察结果相一致.光催化产氢性能结果表明,选择性的暴露活性晶面显著提高了光催化活性,仅含高能面{111}的介孔金红石单晶样品具有最高的产氢速率(约800μmol h–1 g–1),比常规{110}晶面占优的介孔单晶样品速率提高了约一倍.尤其比实心单晶样品的产氢速率提高了至少一个数量级,这应归结于介孔结构特性所导致的表面反应活性位增加、电子传输距离缩短以及光吸收增强协同作用的结果.     

TiO_2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.     

TiO2/ZnO薄膜电极中光生电子的传输及其在太阳电池中的应用

制备了TiO2纳米颗粒和ZnO纳米棒混合的多孔薄膜电极, 利用瞬态光电压技术研究了染料敏化TiO2/ZnO薄膜中光生载流子的传输特性. 实验结果表明, ZnO纳米棒增加了薄膜中自由电子扩散速率, 减小了复合几率, 改善了能量转换效率.     

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.     

ZnO纳米管有序阵列与Cu_2O纳米晶核壳结构的光电化学性能及全固态纳米结构太阳电池研究

采用电化学方法在铟锡氧化物(ITO)导电玻璃基底上制备了高度有序的ZnO纳米管阵列,然后在ZnO纳米管阵列上电化学沉积Cu2O纳米晶颗粒,获得了一维有序Cu2O/ZnO核壳式纳米阵列结构,通过控制Cu2O纳米晶的沉积电量得到不同厚度的Cu2O壳层,并对该核壳式纳米阵列的形貌和结构进行了分析.以Cu2O/ZnO一维核壳式纳米阵列结构为光电极组装全固态纳米结构太阳电池,研究了Cu2O壳层厚度对光电极光吸收性能、光电性能以及组装电池光伏性能的影响,优化了电池中对电极材料的喷金厚度.结果表明,以Cu2O沉积电量为1.5 C的Cu2O/ZnO为光活性层,以4 mA电流下真空镀金20~25 min的铜基底为对电极组装的简易太阳电池最高可获得0.013%的光电转换效率.     

P3HT/CdS/TiO2/ZnO一维有序核壳式纳米棒阵列的构制及其在杂化太阳电池中的应用研究

采用恒电位法在铟锡氧化物导电玻璃(ITO)上制备了高度有序一维ZnO纳米棒阵列,将ZnO纳米棒阵列在TiO2溶胶中采用提拉法制备出了一维TiO2/ZnO核壳式纳米棒阵列.在一维TiO2/ZnO核壳式纳米棒阵列上电沉积CdS纳米晶得到一维CdS/TiO2/ZnO核壳式纳米棒阵列,然后在一维CdS/TiO2/ZnO核壳式纳米棒阵列上电沉积聚3-己基噻吩(P3HT)薄膜得到P3HT/CdS/TiO2/ZnO核壳式纳米结构薄膜.以该纳米结构薄膜电极为光阳极制备出新型纳米结构杂化太阳电池,研究了该类电池的光电转换性能,初步探讨了该类电池的工作机理.     

TiO_2纳米管双室光电化学池光催化制氢的研究

以阳极氧化法在纯钛表面制备了高度有序的Ti O2纳米管阵列,并通过SEM观察其表面形貌。采用双室光电化学池制氢体系,利用太阳光照Ti O2产生的光电压与双室电解液p H差产生的化学偏压的协同效应,不施加外加电压,可直接在阴极室还原制取氢气。通过在碱性电解液中添加乙二醇为电子给体,将光解水制氢与有机物的降解耦合为一体,提高太阳能的利用率,同时考察了阳极室电解液中添加不同含量乙二醇对Ti O2纳米管光阳级的光电化学性能及产氢量的影响。实验结果表明,乙二醇的添加降低了光生电子-空穴对的复合几率,使Ti O2纳米管的光电流、光电压、产氢量得到显著提高。当添加乙二醇的浓度为10vol%时光电流达到13.7 m A·cm-2,无外加电压条件下,双室光电化学池中的产氢速率最高达到3.8μmol·min-1·cm-2。     

ZnO纳米管有序阵列与Cu2O纳米晶核壳结构的光电化学性能及全固态纳米结构太阳电池研究简

采用电化学方法在铟锡氧化物(ITO)导电玻璃基底上制备了高度有序的ZnO纳米管阵列,然后在ZnO纳米管阵列上电化学沉积Cu2O纳米晶颗粒,获得了一维有序Cu2O/ZnO核壳式纳米阵列结构,通过控制Cu2O纳米晶的沉积电量得到不同厚度的Cu2O壳层,并对该核壳式纳米阵列的形貌和结构进行了分析. 以Cu2O/ZnO一维核壳式纳米阵列结构为光电极组装全固态纳米结构太阳电池,研究了Cu2O壳层厚度对光电极光吸收性能、光电性能以及组装电池光伏性能的影响,优化了电池中对电极材料的喷金厚度. 结果表明,以Cu2O沉积电量为1.5 C的Cu2O/ZnO为光活性层,以4 mA电流下真空镀金20~25 min的铜基底为对电极组装的简易太阳电池最高可获得0.013%的光电转换效率.     

电化学阻抗谱法研究铈改性TiO2纳米管阵列光电极裂解水产氢动力学

通过阳极氧化法在纯钛板上制备TiO2纳米管阵列电极.在光电化学电解池阳极中加入供电子物质乙二醇,显著减小了TiO2纳米管的电荷传递阻抗,促进了光电催化裂解水产氢反应.采用阴极电沉积和阳极氧化法制备了单质铈和氧化铈共同改性的TiO2纳米管阵列半导体光阳极,其平带电位向电负方向移动.采用电化学阻抗谱法(EIS)对改性后TiO2纳米管阵列在光电催化裂解水产氢中的电子传输性能以及界面性质进行了表征,确定了各阻抗弧对应的电极过程.采用合理的等效电路模型计算了电极的电子传输动力学参数.结果表明,经铈改性后的TiO2纳米管阵列膜电阻明显减小,有利于氢气的产生.探讨了单质铈与氧化铈促进TiO2纳米管阵列电荷传输的作用机理.     

多孔硅/TiO2纳米线光阳极的制备及其光电催化性能

使用金属辅助化学刻蚀(MACE)法与水热法,改变贵金属粒子的刻蚀时间,制备不同n型多孔硅/TiO_2纳米线光阳极。通过扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对光阳极样品进行表征,结果显示多孔硅宏孔的尺寸会随着刻蚀时间延长而增大,由0.1μm变化到0.4μm,多孔硅表面长有TiO_2纳米线为金红石相及少量锐钛矿相。测试结果显示刻蚀35 min的多孔硅/TiO_2样品具有最高的减反射率,在模拟太阳光下具有较高的光电流(光电流密度)活性,且在1.5 V外加偏压下具有最高的光电催化活性。这是由于刻蚀35 min的多孔硅基底具有优异的减反射性能,同时多孔硅与Ti O_2纳米线复合形成光阳极之后具有异质结效应和窗口效应,使得多孔硅/TiO_2纳米线光阳极具有优异光电化学性能。     

纳米结构ZnO/染料/聚吡咯光阳极的光电化学性质

用光电化学方法研究了染料RuL2 (NCS) 2 (L =2 ,2′ bipydine 4,4′ dicarboxylicacid) (简写为Dye)、聚吡咯 (PPy)敏化氧化锌 (ZnO)纳米晶电极以及用RuL2 (NCS) 2 和PPy复合敏化ZnO纳米晶膜电极的光电化学行为 .实验表明 ,ZnO/PPy纳米多孔膜电极为双层n 型半导体结构 .PPy和RuL2(NCS) 2 都可对ZnO纳米晶膜产生敏化作用 ,ZnO/RuL2 (NCS) 2 /PPy复合多孔膜电极产生的光电流远大于ZnO/PPy纳米多孔膜电极和ZnO/Dye多孔膜电极产生的光电流 .讨论了该电极的光生电子的机理 ,初步测定了ZnO/RuL2 (NCS) 2 /PPy电极作为光阳极的光电化学电池的工作特性曲线 ,测得该电池的光电转换效率为 1 .3% ,填充因子为 0 .75 .     

TiO_2/CdS/Ru(bpy)_2(NCS)_2作为太阳电池光阳极的探讨

将 Cd S纳米粒子复合在 Ti O2 纳米多孔膜上 ,用染料 Ru( bpy) 2 ( NCS) 2 对此复合半导体纳米膜电极进行敏化 ,测量了不同 Cd S复合量的 ITO/Ti O2 /Cd S/Ru( bpy) 2 ( NCS) 2 光阳极组成光电池的能量转换效率 .实验证明 ,ITO/Ti O2 /Cd S/Ru( bpy) 2 ( NCS) 2 作为太阳电池光阳极的能量转换效率与 Ti O2 /Cd S复合半导体中 Cd S的含量有关 .当 Cd S复合时间为 5 min的电池的短路电流为 5 .2 3A/m2 ,开路电压为 0 .71 6 V,能量转换效率为 0 .77% .     

一步水热法制备TiO2复合结构及光伏性能研究

采用一步水热法制备TiO₂纳米棒阵列,研究了无水乙醇作为前驱物替换去离子水对纳米棒阵列的形貌的影响。实验发现,当无水乙醇的含量达到100%的时候,在生长的TiO₂纳米棒阵列的上面获得一层以TiO₂纳米棒为基本单元的微米球, 从而制备出TiO₂复合纳米阵列薄膜。通过XRD和TEM发现,样品为单晶四方金红石结构TiO₂构成的阵列薄膜,将样品组装成染料敏化太阳能电池后,电池的开路电压和短路电流分别为V_oc=0.63 V,J_sc=10.9 mA·cm^-2,填充因子FF=56.3%,转换效率达到η=4.1%。     

基于单晶TiO_2纳米颗粒光阳极的高效染料敏化太阳能电池

以阳极氧化法制备的TiO_2纳米管阵列为原料,在含氟化铵的密闭环境中通过热处理直接将TiO_2纳米管阵列转化为单晶TiO_2纳米颗粒膜.不同热处理时间样品的扫描电子显微镜(SEM)图表明,单晶TiO_2纳米颗粒是由TiO_2纳米管坍塌后重新生长成的.X射线衍射(XRD)及高倍率透射电子显微镜(HR-TEM)图显示出TiO_2纳米颗粒为锐钛矿单晶.将这种单晶TiO_2纳米颗粒膜转移到导电玻璃上制备染料敏化太阳能电池光阳极,获得良好的光电性能.对单晶TiO_2纳米颗粒膜厚度进行优化后,染料敏化太阳能电池最高光电转换效率达到8.66%,单色光光电转换效率最高值为86.70%.该方法是一种非水热制备法,克服了水热法对产量的限制,从而为大量制备高质量单晶TiO_2纳米颗粒提供了一种简单可行的方法.     

单晶二氧化钛纳米棒阵列的修饰及其在量子点敏化太阳电池中的应用(英文)

使用TiCl4溶液对单晶TiO2纳米棒阵列(TNRs)进行修饰,通过在TiO2纳米棒表面合成TiO2纳米颗粒来提高TNRs的表面积,提高TNRs对量子点的吸附能力,并在此基础上研究了TiCl4修饰时间对基于单晶TNRs的CdS/CdSe量子点敏化太阳电池光伏性能的影响,同时结合强度调制光电流谱(IMPS)研究了TiO2纳米棒阵列的电子传输性能.结果表明:TiCl4修饰可以大幅提高基于单晶TNRs的CdS/CdSe量子点敏化太阳电池的光伏性能,在TiCl4修饰时间为60 h时,其短路电流密度和光电转换效率分别由修饰前的(2.93±0.07)mA·cm-2和0.36%±0.02%提高至(8.19±0.12)mA·cm-2和1.17%±0.07%.同时,IMPS测试表明电子在单晶TiO2纳米棒阵列中的传输速率高于在TiO2纳米颗粒薄膜中的传输速率,证明了单晶TiO2纳米棒阵列在电子传输方面的优越性.     

双极纳米电极阵列实现单个铂纳米颗粒上氢气析出反应的电致化学发光成像（英文）

本文制备了嵌于多孔阳极氧化铝(AAO)膜中直径为200 nm,间距为450 nm的高密度(5.7×10~8 cm~(-2))的金纳米电极阵列,纳米电极分布规则,尺寸高度均一。我们将该金纳米电极阵列作为双极电极阵列,可将电极一侧的电化学法拉第信号在另一侧电极上转化成电致化学发光(ECL)信号,从而实现对单个铂纳米颗粒上氢气析出反应(HER)进行亚微米空间分辨率的电化学成像。本文介绍的方法为高空间分辨率成像电催化材料、能源材料以及细胞过程的局部电化学活性提供了一个良好的平台。