多孔锂-硅薄膜锂离子电池负极材料的电沉积制备及其电化学性能

采用多步恒电流沉积技术, 在铜箔上电沉积制备了多孔锂-硅薄膜电极(LSF). 用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)测试手段研究了该电极的结构和表面形貌. 作为锂离子电池负极材料, 电化学测试结果表明锂-硅薄膜电极具有较好的循环稳定性, 通过改变电沉积条件, 可有效调控该电极的嵌脱锂容量及首次循环效率. 譬如, 在0.5 mol·L^-1四氯化硅+0.7 mo·L^-1高氯酸锂的碳酸丙烯酯电解液中, 首先以-3.82 mA·cm^-2的恒定电流密度沉积600 s, 再将电流密度恒定为-1.27 mA·cm^-2, 继续电沉积7200 s, 制得锂-硅薄膜电极(LSF^-3), 该电极以12.7 μA·cm^-2的电流密度预循环2次, 其首次循环库仑效率高达97.1%. 预循环2次后, 电流密度增加到25.5 μA·cm^-2, 此时,锂-硅薄膜电极充电质量比容量和面积比容量分别为1410 mAh·g^-1及240.6 μAh·cm^-2; 50次循环后充电比容量为179 μAh·cm^-2 (1049 mAh·g^-1), 容量保持率为74.4%. 锂-硅薄膜电极中的活性锂组分可补偿首次循环时不可逆容量损失, 同时薄膜电极中的多孔结构可缓解电极材料的体积效应并改善其循环性能.     

含有TiO2刺球散射中心光阳极的设计及其在染料敏化太阳能电池的应用

采用水热法制备了一种刺球状TiO₂（NT）,将其作为光散射中心,与纳米晶TiO₂混合,制备成一种底层为P25薄膜（作为染料吸收层）,上层为添加NT散射层的混合结构的薄膜光阳极。探讨了NT添加量对薄膜性能的影响,实验结果表明,当NT与P25粉体的质量比为35%时电池光电性能最优,电池短路光电流密度为14.30 mA·cm^-2,其光电转换效率达到7.38%。质量比继续增大,当达到50%时电池性能有所下降,光电转换效率降为5.99%,同时染料吸附量也由73.2 μmol·cm^-2降到70.1 μmol·cm^-2。这表明过量的大颗粒TiO₂刺球散射中心会减少光阳极的比表面积从而降低染料的有效吸附量,并且还会引起不必要的反向散射,只有适量的散射中心才能得到最佳性能的太阳能电池器件。     

普鲁士蓝薄膜的电化学制备及其光电性质研究

在创新教育背景下,设计普鲁士蓝薄膜合成及其光电性质研究的教学实验,将科学研究成果引入大学综合实验中。采用简单电化学沉积法,在ITO导电玻璃表面制备得到普鲁士蓝膜,利用扫描电子显微镜、X射线衍射、循环伏安法、紫外-可见吸收光谱等研究普鲁士蓝薄膜的物理化学性质。基于大学生在化学实验中已掌握的实验技能,结合已有的电化学综合实验,设计搭建原位紫外-可见光谱电化学及光电流测试平台。通过具体的实验操作,在了解普鲁士蓝与普鲁士白等相互转化原理的基础上,进一步认识普鲁士蓝电致变色现象及光电流产生的过程,以此激发学生对光电化学实验的兴趣,有助于学生科学发散思维的拓展和实验技能的提高。     

溶液法制备氧化锌半导体薄膜及其顶栅极晶体管器件

采用旋涂法用浓度分别为0.05,0.10和0.25 mol·L^-1的氧化锌前躯体溶液制备了氧化锌薄膜,并且制备了基于氧化锌多层膜的顶栅极晶体管器件,其中以利用光刻工艺刻蚀的氧化铟锡为源漏电极。通过原子力显微镜(AFM)和X-射线衍射(XRD)分别表征了薄膜的形貌以及结晶情况,并且讨论了前躯体的浓度顺序对氧化锌多层膜的影响。按照浓度从大到小的顺序依次旋涂前躯体溶液制备的氧化锌薄膜表现出了较高的载流子迁移率(7.1×10^-3 cm²·V^-1·s^-1),而按照浓度从小到大的顺序依次旋涂前躯体溶液制备的氧化锌薄膜的载流子迁移率为5.2×10^-3 cm²·V^-1·s^-1。文中通过对两种多层薄膜的形貌和结晶性能的分析表明影响顶栅极薄膜晶体管性能的主要因素是薄膜的粗糙度。平整的薄膜有利于形成较好的半导体层/绝缘层接触界面,从而有利于提高器件的载流子迁移率。     

具有低表面自由能有机介电薄膜的制备及表征

通过自主开发的有机镀膜技术在Mg-Mn-Ce镁合金表面制备了具有低表面自由能和较高介电常数的有机纳米薄膜. 利用X射线光电子能谱(XPS)分析了表面有机镀膜过程的反应机理, 借助傅里叶变换红外(FT-IR)光谱进一步确认表面有机膜层的存在, 采用接触角测量仪测定了有机薄膜的蒸馏水接触角和表面自由能变化, 使用椭圆偏振光谱仪研究了薄膜的厚度, 并借助精密阻抗分析仪评价了薄膜的介电性能. 有机镀膜后镁合金表面形成了一层纳米级厚度的有机薄膜, 接触角从基体的70.8°上升至150.5°, 表面自由能从基体的37.96 mJ·m^-2降低到1.57 mJ·m^-2, 镁合金表面从亲水性转变为疏水性; 薄膜的厚度和质量随有机镀膜时间延长先增加后有所减小, 在镀膜20 min时薄膜性能最佳, 此时膜重达到23.5 μg·cm^-2, 膜厚最大为147.48 nm, 其相对介电常数也达到最大, 在1 kHz下可达24.922.     

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In掺杂TiO2的N719/TiO2-Inx%/FTO薄膜电极的光电转换效率

采用溶胶-凝胶法制备出In 表面修饰的TiO₂ (TiO₂-Inx%)纳米粒子, x%代表在In 掺杂的TiO₂样品中In³⁺与In³⁺和Ti⁴⁺离子摩尔百分含量. 利用二(四丁基铵)顺式-双(异硫氰基)双(2,2''-联吡啶-4,4''-二羧酸)钌(II)(N719)作为敏化剂, 制备出N719/TiO₂/FTO (氟掺杂锡氧化物)和N719/TiO₂-Inx%/FTO染料敏化薄膜电极. 光电转换效率实验表明, 在薄膜电极+0.5 mol·L^-1 LiI+0.05 mol·L^-1 I₂的三甲氧基丙腈(MPN)溶液+Pt 光电池体系中,N719/TiO₂-Inx%/FTO薄膜电极的光电转换效率均高于N719/TiO₂/FTO, 其中N719/TiO₂-In0.1%/FTO的光电转换效率比N719/TiO₂/FTO提高了20%. 利用X 射线衍射(XRD)、X 射线光电子能谱(XPS)、漫反射吸收光谱(DRS)、荧光(PL)光谱和表面光电流作用谱确定了TiO₂-Inx%样品中In3+离子的存在方式和能带结构; 利用表面光电流作用谱研究了N719/TiO₂-Inx%/FTO薄膜电极的光致界面电荷转移过程. 结果表明, In3+离子在TiO₂表面形成O-In-Cl_n (n=1, 2)物种, 该物种的表面态能级位于导带下0.3 eV处; 在光电流产生过程中, O-In-Cl_n (n=1, 2)表面态能级有效地抑制了光生载流子在TiO₂-Inx%层的复合, 促进了阳极光电流的增加, 从而导致N719/TiO₂-Inx%/FTO薄膜电极的光电转化效率高于N719/TiO₂/FTO, 并进一步讨论了光致界面电荷转移的机理.     

高结晶度方酸菁染料全溶液制备平面异质结有机太阳能电池

高结晶度有机半导体材料由于分子紧密堆叠,电荷迁移率高,但其在普通有机溶剂中溶解度低,溶液可加工性较差,限制了其在有机光电产品中的应用。本文设计合成了一种甲基修饰的高结晶度方酸菁类染料(DM-SQ),利用三氟乙酸溶剂溶液涂布制备DM-SQ薄膜。研究发现溶液制备的DM-SQ薄膜结晶度高,与真空沉积的DM-SQ薄膜比较,空穴迁移率更高(5.28×10_^-4 vs. 7.53×10_^-5 cm_² v_^-1 s_^-1)。以DM-SQ作为给体,PC₆₁BM作为受体,制备了平面异质结太阳能电池。溶液法制备的器件平均能量转换效率明显高于真空沉积器件(6.08±0.19％和3.56±0.22％)。     

电解液成分、厚度及表面改性对旋涂法制备的BiVO4膜层光电化学性能的影响

采用旋涂法在FTO（SnO₂∶F）导电玻璃衬底上沉积得到BiVO₄多孔薄膜用以光解水,改变前驱体的浓度和旋涂次数以调控薄膜的厚度。研究了电解液成分、膜层厚度及表面改性等因素对刚经历过退火处理的BiVO₄薄膜光电化学（PEC）性能的影响。结果表明：通过在电解液中添加适量的空穴吞噬剂Na₂SO₃,或对表面进行Co-Pi改性均能有效改善BiVO₄薄膜的PEC活性。这些措施均能有效抑制固液界面处的载流子复合反应。经Co-Pi改性的BiVO₄薄膜在0.6 V（vs SCE）偏压下,0.1 mol·L^-1 Na₂SO₄+0.1 mol·L^-1 Na₂SO₃的电解液中展现出最高的光电流密度（4.3 mA·cm^-2）。此外,选用一个代表性BiVO₄薄膜作为光阳极制备了一个PEC生物传感器,在检测谷胱甘肽（GSH）上表现出比较高的灵敏度。本研究证实了BiVO₄薄膜的PEC性能严重依赖着光俘获效率和载流子输运过程。     

染料敏化纳米薄膜太阳电池中DMPII浓度的优化

利用超微铂电极和循环伏安法及电化学阻抗谱研究了在1,2-二甲基-3-丙基咪唑碘(DMPII)的3-甲氧基丙腈(MePN)溶液中I₃^－和I^－的氧化还原行为，并对比了由不同浓度的I2和DMPII组成的电解质溶液，其染料敏化纳米薄膜太阳电池(DSCs)的光伏性能. 发现以MePN为溶剂，含1.0 mol•dm^-3 DMPII、0.12 mol•dm^-3 I2、0.10 mol•dm^-3 LiI和0.50 mol•dm^-3 4-叔丁基吡啶的电解质溶液，其DSCs的短路光电流密度为16.67 mA•cm^-3、开路电压为0.69 V、填充因子为0.70、光电转换效率达8.08%.     

Colloidal TiO2 nanocrystals/MEH-PPV nanocomposites: photo(electro)chemical study

An extensive optical and photoelectrochemical study of blended systems composed of organic-capped TiO(2) nanocrystals with either a spherical or rodlike morphology and a conjugated polymer, MEH-PPV, is presented. The absorption and emission properties of the heterojunctions have been characterized both in solution and in thin films. The blended structures deposited onto conductive substrates have been employed as active layers in photoelectrochemical systems. The investigation has been focused on the photoinduced charge transfer and recombination processes at the interface between the two components, as a function of the nanocrystal shape and surface coating, and of the film thickness. The presence of a large number of interfaces available for charge transfer is believed to play a fundamental role in enhancing the photoelectrochemical performances of the dispersed heterojunctions. The reported results suggest that such MEH-PPV/TiO(2) heterojunctions may be exploited as potential active layers in future photovoltaic and photoelectrochemical devices.     

多晶光电化学电极的内部短路电流

本文提出多晶光电化学电极中存在暗区短路电流的概念及其测试方法,并用模拟电极体系及实际多晶电极加以验证。实验结果表明:暗区短路电流的大小随电极的制造工艺而不同。由此可见,存在暗区短路电流是多晶光电化学电极开路电压和输出电流较单晶为低的原因之一,因此,制备多晶电极时应注意使电极致密、孔隙度小。     

Solar‐Energy‐Driven Photoelectrochemical Biosensing Using TiO2 Nanowires

Photoelectrochemical sensing represents a unique means for chemical and biological detection, with foci of optimizing semiconductor composition and electronic structures, surface functionalization layers, and chemical detection methods. Here, we have briefly discussed our recent developments of TiO₂ nanowire‐based photoelectrochemical sensing, with particular emphasis on three main detection mechanisms and corresponding examples. We have also demonstrated the use of the photoelectrochemical sensing of real‐time molecular reaction kinetic measurements, as well as direct interfacing of living cells and probing of cellular functions.     

Si-doped Fe2O3 nanotubular/nanoporous layers for enhanced photoelectrochemical water splitting

The present work reports the enhancement of the photoelectrochemical water splitting performance of in-situ silicon (Si)-doped nanotubular/nanoporous (NT/NP) layers. These layers were grown by self-organizing anodization on Fe-Si alloys of various Si content. The incorporation of Si is found to retard the layer growth rates, leads to a more pronounced nanotubular morphology, and most importantly, an improved photoelectrochemical behavior. By increasing Si content from 1, 2 to 5 at.% in the iron oxide NT/NP photoanodes, the photocurrent onset potential shifts favorably to lower values. At 1.3 V vs. RHE, hematite layer with 5 at.% Si shows a 5-fold increase of the photocurrent, i.e. 0.5 mA cm^− 2 in comparison to 0.1 mA cm^− 2 for the undoped samples. The study also reveals that a suitable layer thickness is essential to achieve a beneficial effect of the Si doping.     

PHOTOELECTROCHEMICAL STUDIES OF ULTRATHIN PHOTOACTIVE (POLYMER) LAYERS VIA SENSITIZATION OF ZnO

–Since photoelectrochemical properties of very thin (< 100 Å) layers of photoactive materials cannot be studied on metal contacts due to energy transfer losses and excessive dark currents through holes, an attempt was made to investigate them in contact with a large gap oxide semiconductor (ZnO). It was expected that electrons excited within the thin layer can be injected into the conduction band of ZnO. Experiments have shown this to be possible with the p-type polymer semiconductor poly(2,5-furylenvinylene) applied at thickness equivalent to 1–50 monolayers. Studies on complementary sensitization with Rhodamine B suggest energy transfer mediated electron transfer across the polymer layer into ZnO. In contrast, sensitization of ZnO by thin layers of n -CdS or rc-FeS₂ (prepared by painting or MOCVD) was not successful. Promises and difficulties of the technique which could also be applied to biological samples are discussed.     

Exploitation of a photoelectrochemical sensing platform for bisphenol A quantitative determination using Cu/graphitic carbon nitride nanocomposites

The photoelectrochemical sensor basedon Cu/g-CN composites modified electrodeis firstly used to monitor bisphenol Awith high sensitivity. This work opens theway for the application of Cu/g-CN composites in photoelectrochemical field, and simultaneously contributed to broadening the application of graphitic carbon nitride-based materials. In addition, it can provide a convenient and rapid analysis method for the detection of other organic compounds in the future.     

Enhancement of Solar Hydrogen Evolution from Water by Surface Modification with CdS and TiO2 on Porous CuInS2 Photocathodes Prepared by an Electrodeposition–Sulfurization Method

Porous films of p‐type CuInS₂, prepared by sulfurization of electrodeposited metals, are surface‐modified with thin layers of CdS and TiO₂. This specific porous electrode evolved H₂ from photoelectrochemical water reduction under simulated sunlight. Modification with thin n‐type CdS and TiO₂ layers significantly increased the cathodic photocurrent and onset potential through the formation of a p–n junction on the surface. The modified photocathodes showed a relatively high efficiency and stable H₂ production under the present reaction conditions.     

光电化学方法在铜缓蚀剂作用机理研究中的应用

本文综述了笔者实验室采用光电化学方法在铜缓蚀剂作用机理研究中的应用情况，采用此方法不仅可对铜缓蚀剂的缓蚀性能进行评定，而且还可对缓蚀剂的作用机理级缓蚀协同效应与作用机理进行研究，可以得到其它一些常规电化学方法及表面分析所不能得到的一些信息，此方法不失为一种研究缓蚀剂作用机进的好方法。     

TiO_2纳米管阵列的制备及其对316不锈钢光生阴极保护作用的研究

应用直接电化学阳极氧化法,于含氟电解液中,在纯钛表面制备一层整齐有序的TiO2纳米管阵列.扫描电子显微镜(SEM),X射线衍射(XRD)表征该纳米管阵列的形貌及晶体结构,光电化学联用系统研究其光电响应特性及对316L的光生阴极保护作用.结果表明:以TiO2纳米管阵列膜作为光生阳极时,在紫外光区(λ<387nm)有显著增强的光生电流响应,并对316不锈钢有较好的光生阴极保护作用.暗态下,光生电极电位仍可维持较长的一段时间,继续起到阴极保护作用.     

Cl-诱导的含氧空位原子层厚Bi2WO6的可控合成及其深度氧化NO性能

开发具有高量子效率的半导体光催化材料是极具前景的解决能源短缺和环境污染问题的策略.在已报道的诸多光催化材料中,超薄二维(2D)材料表现突出,凭借其高效的载流子分离传输性能备受研究者的青睐.然而,苛刻的合成条件、缺乏表面活性位点等问题制约了其应用.因此,温和可控地合成具有大量活性位点的原子层厚2D材料具有重要的意义.作为...