基于介孔TiO2和Nb2O5微米球的可控合成及光电化学性能研究
TiO2和Nb2O5是两种重要的宽禁带半导体材料，其优秀的光电化学性能使它们在光催化、水分解、气敏传感器、紫外光探测器、染料敏化太阳能电池、电致变色、锂电存储等领域都受到了广泛关注。介孔微米球由于具有大的比表面积，良好的光散射效果和较高的堆积密度以及颗粒移动性强等特点，有利于增加化学反应位点，提高光的利用率，获得高的体积能量密度和功率密度，并非常适合应用于传统的电极制作工艺中,成为一种重要的电极材料结构。本文利用溶剂热法分别合成了介孔TiO2和Nb2O5微米球，并对其形貌和结构进行了表征分析。从光催化，染料敏化太阳能电池，锂离子存储性能等多方面对其光电化学性能进行了测试评估和反应机理探究。 本研究主要内容包括：⑴通过控制钛酸丁酯在乙醇中的水解速率，用溶剂热法结合后续的退火处理制得了纯的锐钛矿相介孔TiO2微米球。研究了合成中盐酸的量对晶型的影响，并首次提出根据两种晶型的折射率不同，从金相照片中对样品成分进行定性判断的方法。将锐钛矿相TiO2微米球组装成染料敏化太阳能，研究了器件性能随光阳极膜厚度的变化。在厚度为17μm时得到了6.24％的最高光电转换效率，相应的开路电压为0.73 V，短路电流密度为13.60 mA c m-2。对光阳极经过进一步的四氯化钛处理以后，电池的光电转化效率提高到7.25%，较处理前提高了16.2%。动力学研究结果表明，经处理后的TiO2膜的电子寿命有所提高，具有更好的电子传输性能。⑵进一步研究了合成的介孔TiO2微米球的光催化性能，并创新性的提出将具有优秀的光催化活性的TiO2微米球与柔性乙酸纤维素复合制备透明柔性可循环利用的光催化复合膜。经过三个周期的光催化反应后，催化效果与首次相比几乎没有下降，证明其可作为一种有效的可循环光催化材料，而且实用方便，避开了光催化剂粉末不易回收的问题。还可以将这种简便有效的方法拓展到其它催化体系中实现可能的工业应用，特别是对有毒的催化剂材料更是有很大帮助。此外，这种技术也可以用到其它聚合物/纳米颗粒体系中满足不同的需求，为可循环利用的光催化材料制备提供了一种新的思路。⑶将溶剂热法合成介孔微米球推广到 Nb2O5的合成中，在煅烧后得到了高结晶性的单一六方相Nb2O5微米球。通过改变初始反应物的浓度可控的合成了从200 nm到900 nm不同尺寸的Nb2O5微米球，并分析了可能的形成机理。将其应用到DSSCs光阳极中，通过测试它们在 DSSCs中的光伏性能和动力学过程研究了光阳极材料的结构和性能之间的关系。发现具有合适孔径和尺寸的S2样品在平衡了光吸收效率和电子传输性能后取得了2.97%的最高的光电转换效率，相应的短路电流密度和开路电压分别为6.8mA cm-2和0.738V。⑷将介孔Nb2O5微米球前驱物在600℃空气中煅烧2h，得到了正交相的介孔Nb2O5微米球。以锂片为对电极和参比电极，进一步在非水系电解质中研究了介孔Nb2O5微米球电极的储锂性能。在5C下进行100次循环以后容量保持在稳定后的85%，库伦效率接近100%。在充放电流密度提高到15C时，仍然能得到128.2 mAh g-1的比容量，为0.5C（181.7 mAh g-1）下的70%，表现出了良好的循环性能和倍率性能。我们测试并计算了Nb2O5微米球作为赝电容材料在不同电流密度下的比容量。在0.1A/g，0.2A/g，0.4A/g，1A/g，2A/g，3A/g下，比容量分别为545Fg-1，466Fg-1,430Fg-1，400Fg-1，370Fg-1。
半导体材料;纳米结构;染料敏化;光电效应
华中科技大学
博士
物理电子学
陈娣
2014
中文
O472.8
122
2016-05-04（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）