TiO2纳米管阵列电极的表面敏化及其界面性质

作     者：谭欢悦 

作者单位：北京工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：桑丽霞

授予年度：2013年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：TiO2纳米管阵列 染料敏化 量子点敏化 界面性质 耗尽层 

摘      要：为了寻找洁净的新能源来解决全球日益短缺的化石能源问题，基于光电化学分解水制氢的“太阳-氢技术倍受关注。TiO以其丰富易得、无毒、稳定等优点被认为是太阳能光解水制氢研究的首选阳极材料，但TiO的能隙值也限制了其对太阳能的利用率。本课题对具有快速电子迁移特性的TiO纳米管阵列进行表面敏化研究，以期提高其可见光响应性能和电荷转移界面性能。 通过电化学阳极氧化法制备TiO纳米管阵列(TNT)，并通过浸渍法及声助化学沉积法对所制TNT进行表面敏化。利用SEM、XPS、UV-Vis DRS等技术分析所制光电极的表面形貌、表面粒径尺寸和光响应性能。通过光电流时间曲线、光电压时间曲线、Mott-Schottky曲线、电化学阻抗图及光电转化效率(IPCE)曲线等电化学测试方法分析敏化前后TiO纳米管阵列电极的光电性能及光电转换效率。结果表明： 在含F-的乙二醇溶液和H3PO4水溶液的电解液中阳极氧化分别制得约15μm和600nm的TiO纳米管阵列TNT-a和TNT-b。以染料Eosin Y和RuL分别对所制TNT-a和TNT-b进行表面敏化，敏化后样品管壁厚增加，在可见光区500-700nm的吸光性增强。在所制TNT-b表面沉积CdS粒子进行敏化，利用XPS谱图分析可知沉积的CdS粒子的半径约为3nm，结合敏化前后管壁厚分析可知，在TiO纳米管内壁附着了近一层量子点CdS。根据UVDRS分析进一步证实了CdS量子点敏化增强了TiO纳米管阵列的可见光吸收特性。 以太阳光模拟器(AM1.5，100mW/cm)为光源，以Ag/AgCl电极为参比电极，染料及量子点敏化后的TiO纳米管阵列光阳极在相应电解质的光电体系中的光电性能明显提高。Eosin-Y敏化前后电极的光电流密度分别为0.24mA/cm、0.46mA/cm;RuL敏化前后电极的光电流密度分别为0.065mA/cm和0.165mA/cm;CdS量子点敏化电极可将光电流密度从0.35mA/cm提高到3.75mA/cm。在500-1100nm范围内的光辐照下，CdS量子点敏化电极的光电转化效率(IPCE)最高达到25%左右。 基于Mott-Schottky曲线分析和计算，对表面敏化前后的TiO纳米管列电极的界面耗尽层宽度进行了计算分析，建立了敏化电极的耗尽层宽度增大以促进光生电子-空穴的快速分离和传递的耗尽层界面模型和理论。利用电化学阻抗图，对表面敏化前后的TiO纳米管列电极的界面阻抗和电容进行了分析，敏化电极的阻抗半径明显减小电容增大而具有相对增强的光电化学界面性能。