基于介孔TiO2和Nb2O5微米球的可控合成及光電化學性能研究.pdf

1、TiO2和Nb2O5是兩種重要的寬禁帶半導體材料，其優(yōu)秀的光電化學性能使它們在光催化、水分解、氣敏傳感器、紫外光探測器、染料敏化太陽能電池、電致變色、鋰電存儲等領域都受到了廣泛關注。介孔微米球由于具有大的比表面積，良好的光散射效果和較高的堆積密度以及顆粒移動性強等特點，有利于增加化學反應位點，提高光的利用率，獲得高的體積能量密度和功率密度，并非常適合應用于傳統(tǒng)的電極制作工藝中,成為一種重要的電極材料結構。本文利用溶劑熱法分別合成了介孔T

2、iO2和Nb2O5微米球，并對其形貌和結構進行了表征分析。從光催化，染料敏化太陽能電池，鋰離子存儲性能等多方面對其光電化學性能進行了測試評估和反應機理探究。
　　本研究主要內容包括：⑴通過控制鈦酸丁酯在乙醇中的水解速率，用溶劑熱法結合后續(xù)的退火處理制得了純的銳鈦礦相介孔TiO2微米球。研究了合成中鹽酸的量對晶型的影響，并首次提出根據(jù)兩種晶型的折射率不同，從金相照片中對樣品成分進行定性判斷的方法。將銳鈦礦相TiO2微米球組裝成染料敏

3、化太陽能，研究了器件性能隨光陽極膜厚度的變化。在厚度為17μm時得到了6.24％的最高光電轉換效率，相應的開路電壓為0.73 V，短路電流密度為13.60 mA c m-2。對光陽極經過進一步的四氯化鈦處理以后，電池的光電轉化效率提高到7.25%，較處理前提高了16.2%。動力學研究結果表明，經處理后的TiO2膜的電子壽命有所提高，具有更好的電子傳輸性能。⑵進一步研究了合成的介孔TiO2微米球的光催化性能，并創(chuàng)新性的提出將具有優(yōu)秀的光催

4、化活性的TiO2微米球與柔性乙酸纖維素復合制備透明柔性可循環(huán)利用的光催化復合膜。經過三個周期的光催化反應后，催化效果與首次相比幾乎沒有下降，證明其可作為一種有效的可循環(huán)光催化材料，而且實用方便，避開了光催化劑粉末不易回收的問題。還可以將這種簡便有效的方法拓展到其它催化體系中實現(xiàn)可能的工業(yè)應用，特別是對有毒的催化劑材料更是有很大幫助。此外，這種技術也可以用到其它聚合物/納米顆粒體系中滿足不同的需求，為可循環(huán)利用的光催化材料制備提供了一種新

5、的思路。⑶將溶劑熱法合成介孔微米球推廣到 Nb2O5的合成中，在煅燒后得到了高結晶性的單一六方相Nb2O5微米球。通過改變初始反應物的濃度可控的合成了從200 nm到900 nm不同尺寸的Nb2O5微米球，并分析了可能的形成機理。將其應用到DSSCs光陽極中，通過測試它們在 DSSCs中的光伏性能和動力學過程研究了光陽極材料的結構和性能之間的關系。發(fā)現(xiàn)具有合適孔徑和尺寸的S2樣品在平衡了光吸收效率和電子傳輸性能后取得了2.97%的最高的

6、光電轉換效率，相應的短路電流密度和開路電壓分別為6.8mA cm-2和0.738V。⑷將介孔Nb2O5微米球前驅物在600℃空氣中煅燒2h，得到了正交相的介孔Nb2O5微米球。以鋰片為對電極和參比電極，進一步在非水系電解質中研究了介孔Nb2O5微米球電極的儲鋰性能。在5C下進行100次循環(huán)以后容量保持在穩(wěn)定后的85%，庫倫效率接近100%。在充放電流密度提高到15C時，仍然能得到128.2 mAh g-1的比容量，為0.5C（181.7