TiO2纳米带表面光伏特性的研究

近年来, 一维结构的纳米带由于其不同于管、线材料的新颖结构以及独特的光电性能而受到广泛关注. 人们通过各种方法合成了氧化锌、硫化镉和氧化锡等纳米带材料[1,2]. 纳米TiO2以其优异的光电性能和高的化学稳定性而被广泛应用于太阳能电池、光催化降解等诸多领域[3], 从而成为研究热点, 最近其纳米带的制备也有报道[4].     

TiO2纳米粒子膜的制备、表面态性质和光催化活性

在酸性和碱性条件下,用TiCl4水解法制备了TiO2纳米粒子膜催化剂.采用原子力显微镜(AFM),X射线衍射(XRD),表面光电压谱(SPS)和场诱导表面光电压谱(EFISPS)测定了催化剂表面的微结构及能级结构.对催化剂进行了光催化降解苯酚实验,测定了其光催化活性.结果表明,酸性条件下制备的TiO2膜催化剂的光催化活性较高,其结果接近于P25.用能带理论解释了TiO2纳米粒子膜催化剂光催化活性的差异,分析了膜厚对光催化活性的影响.     

退火对TiO2纳米管/线复合阵列表面光电性质的影响

采用阳极氧化法制备了TiO2纳米管/线复合阵列. 利用表面光电压谱(SPS)和场诱导表面光电压谱(FISPS)研究了退火对TiO2纳米管/线复合阵列表面光电性质的影响. 结果表明, TiO2纳米管/线复合阵列在晶化前后的导带边缘均出现了束缚激子态, 晶化前由于自建场较弱, 束缚激子态能在正负电场作用下发生不对称偏转; 晶化后, 晶体结构从非晶态变为晶态, 自建场增强, 束缚激子态对正电场敏感并表现出明显的光伏响应, 而在负电场作用下束缚激子态没有任何光伏响应.     

TiO2纳米粒子的光催化活性与光伏响应特性研究

TiO2纳米粒子由于其具有良好的化学稳定性、耐光腐蚀性、宽带隙能和大的比表面积等特点而被广泛地应用到光催化降解有机污染物^[1,2]和光催化储能等方面。由于研究手段和研究方法的限制,详细了解催化剂表面光生电荷行为、光谱谱带与催化活性的关系比较困难,而这些关系将为制备高催化活性的光催化剂提供理论基础,由于光催化活性的高低与催化剂的表面性质直接相关,表面光电压谱（SPS）是研究固体材料表面物性和界面间电荷转移过程的有利手段^[3],其为控制光催化机理提供了新的手段。本文利用表面光电压谱方法对系纳米TiO2光催化剂进行了光伏响应测试,发现TiO2的晶型、粒径及表面吸附物对其光催化活性有很大影响。不同性质的表面吸附物可使催化剂表面呈现不同的导电特性,而使其光催化活性不同。利用能带理论和场效应原理对此进行了 合理的解释。     

淬火处理对TiO2纳米管阵列电极性能影响

为使TiO2纳米管阵列电极更好地应用于太阳能电池中,通过恒压阳极氧化法以0.5%(w,质量分数)NH4F/甘油作为电解液,在钛基体上制备出了TiO2纳米管阵列.随后将TiO2纳米管阵列电极在水中进行不同温度淬火处理,通过x射线衍射(XRD)仪、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、X射线光电子能谱(XPS)和循环伏安法(CV)研究经淬火处理的TiO2纳米管阵列的形貌、晶体结构和电化学性能.研究得出TiO2纳米管阵列经淬火处理其表面获得更多Ti3+缺陷点和TiO2纳米碎片.经0℃淬火处理的TiO2纳米管阵列电极出现了更多Ti3+缺陷点和OH基团,且有更多的纳米碎片出现,其光电化学性能得到了大幅度提高,其40 min光照对甲基橙的光催化降解率高达96.2%.     

淬火处理对TiO2纳米管阵列电极性能影响

为使TiO2纳米管阵列电极更好地应用于太阳能电池中, 通过恒压阳极氧化法以0.5%(w, 质量分数)NH4F/甘油作为电解液, 在钛基体上制备出了TiO2纳米管阵列. 随后将TiO2纳米管阵列电极在水中进行不同温度淬火处理, 通过X射线衍射(XRD)仪、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、X射线光电子能谱(XPS)和循环伏安法(CV)研究经淬火处理的TiO2纳米管阵列的形貌、晶体结构和电化学性能. 研究得出TiO2纳米管阵列经淬火处理其表面获得更多Ti3+缺陷点和TiO2纳米碎片. 经0 ℃淬火处理的TiO2纳米管阵列电极出现了更多Ti3+缺陷点和OH 基团, 且有更多的纳米碎片出现, 其光电化学性能得到了大幅度提高, 其40 min光照对甲基橙的光催化降解率高达96.2%.     

CuS/TiO2纳米管异质结阵列的制备及光电性能

利用水热反应制备了CuS/TiO2纳米管异质结阵列,采用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射谱(XRD)等手段表征了异质结阵列的表面形貌和晶体结构.电流-电压曲线结果表明,CuS/TiO2纳米管异质结阵列具有明显的整流效应.根据表面光电压谱和相位谱,在376～600 nm之间,CuS/TiO2纳米管异质结阵列表现为p型半导体特征,电子在表面聚集;在300～376 nm之间表现为n型半导体特征,空穴在表面聚集;在376 nm处异质结阵列的表面光伏响应为零.CuS/TiO2和CuS/ITO之间界面电场的不同导致异质结在不同波长范围内表面电荷聚集的差异.光电化学性能测试发现,以CuS/TiO2纳米管异质结阵列为光阳极组成的光化学太阳电池,在大气质量AM 1.5G,100 mW/cm2标准光强作用下具有0.4%的光电转换能力.     

甘油-DMSO-H2O中阳极氧化TiO2纳米管阵列的生长与性能

采用NH4F-甘油-DMSO(二甲基亚砜)-H2O溶液体系的电化学阳极氧化法, 在金属钛基板上形成厚度为0.4-1.5 μm的有序TiO2纳米管阵列薄膜. 利用场发射电子扫描显微镜(FESEM)技术, 研究了电解液的组成及阳极氧化电压对TiO2纳米管阵列生长形貌的影响. 结果表明, 阳极氧化电压可以影响TiO2纳米管的径向尺寸和长度；通过改变电解液中DMSO/H2O的体积比, 能够调控纳米管的生成速率与形貌. 利用X射线衍射(XRD)对经过不同温度热处理的TiO2纳米管阵列薄膜的物相进行了分析. TiO2纳米管阵列薄膜的光电催化分解水过程的电压-电流特性测量显示, 光电流密度大于0.2 mA·cm-2.     

铁掺杂TiO2纳米管阵列制备及其光电化学性质

应用电化学阳极氧化法,以Fe(NO3)3-HF的混合水溶液作电解液在Ti基底上制备Fe掺杂TiO2纳米管阵列.FESEM、Raman、XPS、DRS等测试表明:经Fe掺杂的TiO2纳米管阵列,管径50~90 nm,管长约200nm.与未掺杂TiO2纳米管阵列相比,前者的紫外可见起始吸收带边随着Fe掺入量的增加而红移;而光电化学性质如光电流也随之显著提高.     

担载材料对TiO2薄膜光催化活性的影响

TiO_2 nanocrystalline films were prepared on glass, ITO and p-Si substrates. Degradation of Rhodamine B was used to assess the photocatalytic activity of the films. It was found that photocatalytic activity of TiO2 films on ITO and p-Si are higher than that on glass, and the film grown on ITO is the best. In addition, crystalline phases and surface morphology of TiO_2films were also affected by different substrates. Surface Photovoltage Spectra was used to analyze surface states and energy levels of the films. Separation of photogenerate electrons and holes was promoted due to matching of the energy levels between TiO_2 films and ITO as well as p-Si. High photocatalytic activity was then obtained because more photogenerate electrons and holes took part in photocatalytic reaction on TiO_2 surfaces.     

液相沉积法制备ZnO/CdS复合纳米棒阵列薄膜及其光电性质

采用两步化学溶液沉积法在氧化铟锡(ITO)导电玻璃衬底上制备了ZnO/CdS复合纳米棒阵列薄膜.利用X射线衍射(XRD)仪、扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见(UV-Vis)吸收分光光度计、荧光(PL)光谱仪及表面光电压谱(SPS)研究了不同CdS沉积时间对复合薄膜的晶体结构、形貌、光电性质的影响.研究结果表明:ZnO纳米棒阵列表面包覆CdS纳米颗粒后,其吸收光谱可拓展到可见光区;与吸收光谱相对应在可见光区出现新的光电压谱响应区,这一现象证实,通过与CdS复合可显著提高ZnO纳米棒阵列在可见光区的光电转换性能;随着CdS纳米颗粒沉积时间的延长,复合纳米棒阵列薄膜在大于383nm波长区域的光电压强度逐渐减弱,而在小于383nm波长区域的光电压强度逐渐增强.用两种不同的电荷产生和分离机制对这一截然相反的光响应过程进行了详细的讨论和解释.     

TiO2纳米粒子包覆聚苯乙烯球的结晶性能与表面光电压特性

TiO2具有很高的光催化活性，同时TiO2纳米粒子具有耐酸碱和耐光化学腐蚀、低成本、无毒等性质，在许多领域引起广泛关注．据报道，TiO2的锐钛矿晶型比金红石晶型具有更好的光催化活性．由于金红石是TiO2的热力学稳定相，而锐钛矿是亚稳相，通常锐钛矿相在550-800℃温度范围内形成金红石相，从而降低其催化活性，限制了其应用．     

镍离子表面处理对二氧化钛光催化活性的影响

采用溶胶-凝胶法制备出纳米TiO2和TiO2-Ni催化剂. 光催化降解对氯苯酚实验证明, TiO2-Ni催化剂的紫外、可见光催化活性均高于TiO2. FTIR和Raman结果表明, Ni2+离子被化学吸附在TiO2表面形成ONiOO表面物种. SPS的结果表明, TiO2-Ni表面ONiOO物种的表面态能级在价带上方2.84 eV. 该能级既能产生可见光响应, 又有效地促进了光生载流子的分离, 使催化剂紫外、可见光催化活性提高.     

偏振光作用下金红石型TiO2单晶(001)面的表面光电压谱研究

TiO2是一种优异的光电功能材料,被广泛用于有机污染物光降解及太阳能光电转换[1～3].近年来的研究表明,表面原子排布对TiO2光电效能有决定性的影响.如Lowckamp[3]的研究表明,TiO2的(101)晶面与其它晶面相比具有高的光化学还原Ag+的能力.本文结合偏振光技术与表面光电压谱技术对金红石型TiO2单晶(001)面的光伏响应特性进行了研究,通过对TiO2不同晶面的电子跃迁形式的区分及其对偏振光的不同响应,揭示了表面原子排布与TiO2光电性质之间的关系,实现了对材料功能特性的调控.     

溶胶—凝胶工艺制备TiO2薄膜的表面组成和价态研究

通过Ｘ射线光电子能谱（ＸＰＳ）和电子自旋共振谱（ＥＳＲ）,确定了采用溶胶－凝胶工艺制备的ＴｉＯ２光催化纳米薄膜中元素的化学组成和价态。实验结果表明,薄膜中除含有钛和氧元素外,还有一定量的来自有机前驱物中未完全燃烧的残余碳和少量从玻璃表面扩散到薄膜中的钠和钙离子;Ｔｉ除了以Ｔｉ＾４＋价形态存在外,还有一定量的Ｔｉ以Ｔｉ＾３＋和Ｔｉ＾２＋形式存在,这种情况主要是由于有机基团的燃烧,来自玻璃基体中钠与钙     

高介电常数TiO2纳米晶的表面态研究

将钛酸四丁酯和硬脂酸在熔融状态下混合均匀后置于冷水浴中,使其凝固成凝胶,通过控制烧结过程中氧气的含量,成功地制备出粒度均匀、介电性能好的纳米晶TiO2.通过采用X射线光电子能谱和表面光电压谱对纳米晶TiO2表面状态的分析发现,材料表面存在大量的氧空位缺陷,暴露在粒子表面上的主要是一些金属Ti4+.纳米材料的这种表面状态对其极化性质具有重要的影响,使其在接近静态条件下的低频介电常数远大于常规材料的介电常数.     

对插型阵列微带电极的制作及其电化学特性研究

用微电子光刻方法制作了对插型阵微带电极（ＩＤＡ），并通过ＳＥＭ对ＩＤＡ电极进行了表征，将微Ａｇ／ＡｇＣｌ参比电极和微铂丝对电极固定在ＩＤＡ电极附近，构成了微电解池，考察了该电极的循环伏安及计时电流特性，并用微带电极的扩散理论和Ｃｏｔｔｒｅｌｌ 公式对ＩＤＡ电极的准稳太电流进行了处理，指出了它们之间产生偏差的原因，研究了ＩＤＡ电极的“发生－收集”效应，测定了该电极的屏蔽因子、反馈因子和收集效率。     

制备二氧化钛分枝纳米棒阵列结构以提高聚合物杂化太阳电池的性能

分别采用一步水热法和两步水热法在导电玻璃(FTO)上制备了二氧化钛(TiO₂)纳米棒(NR)阵列和TiO₂分枝纳米棒(B-NR)阵列。 利用低温化学浴沉积法(CBD)在TiO₂纳米棒阵列(NRA)和TiO₂分枝纳米棒阵列(B-NRA)基底上沉积Sb₂S₃纳米粒子(NPs)。 接着分别旋涂聚-3已基噻吩(P3HT)和2,2'7,7'-四-(二甲氧基二苯胺)螺芴(Spiro-OMeTAD)组装成TiO₂(NRA)/Sb₂S₃/P3HT/Spiro-OMeTAD和TiO₂(B-NRA)/Sb₂S₃/P3HT/ Spiro-OMeTAD为光活性层的杂化太阳电池。 结果表明,由TiO₂(NRA)/Sb₂S₃/P3HT/Spiro-OMeTAD复合膜结构组装的杂化太阳电池的光电转换效率(PCE)是2.92%,而由TiO₂(B-NRA)/Sb₂S₃/P3HT/Spiro-OMeTAD复合膜结构组装的杂化太阳电池的PCE提高到了4.67%。     

In2O3敏化ZnO纳米棒阵列的性能及其光电催化活性

以掺氟SnO₂ (FTO)导电玻璃为基底, 采用水热法制备了ZnO纳米棒阵列. 通过In(NO₃)₃水溶液水洗的方法, 合成了In₂O₃敏化ZnO纳米棒阵列光催化剂. 采用场发射扫描电子显微镜(FESEM), X射线能谱(EDX), X射线衍射(XRD)及紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)对样品的形貌、结构、组成、晶相等进行一系列的表征. 以罗丹明B (RhB)为目标降解物, 探究了In₂O₃敏化ZnO 纳米棒阵列光电催化活性. 采用场诱导表面光伏技术(FISPV)研究了不同含量的In₂O₃敏化ZnO纳米棒阵列在光照射下的光生电荷行为. 结合电化学工作站检测不同样品的光电流, 随着In₂O₃敏化量的改变, 光电流和开路电压也随之改变. 并探讨了In₂O₃敏化ZnO纳米棒阵列光生电荷行为与光电催化活性之间的关系. 结果表明, 适量In₂O₃敏化的ZnO光催化剂在可见光下2 h内对罗丹明B的降解效率达到95%, 是单纯ZnO纳米棒阵列的2.4倍.