二氧化鈦異相結(jié)的制備及其光電性能研究.pdf

1、二氧化鈦（TiO2）具有穩(wěn)定性好、環(huán)境友好、價(jià)格低等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能光（電）催化分解水、太陽(yáng)能電池、光催化污染物降解等領(lǐng)域。近年來(lái)大量研究已經(jīng)表明在TiO2表面進(jìn)行“結(jié)”的構(gòu)建可以顯著提高光轉(zhuǎn)化效率。TiO2表面“結(jié)”的研究范疇逐漸從肖特基結(jié)、異質(zhì)結(jié)拓展到異相結(jié)、表面無(wú)定型層等，但對(duì)其中“異相結(jié)”、“表面無(wú)定型層”的具體作用機(jī)制眾說(shuō)紛紜，關(guān)鍵是器件制備、機(jī)理研究及性能評(píng)價(jià)等問(wèn)題尚未解決。這一系列問(wèn)題極大地阻礙了本方向的發(fā)展

2、和相關(guān)應(yīng)用。
　　本論文以TiO2一維納米材料為基本結(jié)構(gòu)，研究了TiO2金紅石/銳鈦礦的異相結(jié)、TiO2晶相/表面無(wú)定型相等特殊結(jié)構(gòu)，并將其用于幾種光電器件的設(shè)計(jì)、制備和應(yīng)用研究。
　　以TiO2金紅石和銳鈦礦分別為正負(fù)極構(gòu)建了光伏器件，并對(duì)其光伏性能進(jìn)行研究。以水熱合成的一維金紅石納米棒陣列為基底，在其上磁控濺射一層銳鈦礦相，形成銳鈦礦@金紅石的準(zhǔn)同軸納米棒陣列。在銳鈦礦上濺射一層ITO用于收集并導(dǎo)出其中的載流子，利用FT

3、O基底導(dǎo)出金紅石相中的載流子，由此構(gòu)建了異相結(jié)光伏器件。光伏表征的結(jié)果顯示TiO2單相器件并沒(méi)有表現(xiàn)出光伏響應(yīng)，而TiO2異相結(jié)器件可以產(chǎn)生明顯的光伏效應(yīng)：開(kāi)路電壓為0.18V，短路電流為114μm/cm2。通過(guò)對(duì)光入射方向、電極極性等因素進(jìn)行調(diào)控，發(fā)現(xiàn)光照條件下光生載流子在金紅石相和銳鈦礦相間發(fā)生定向遷移，遷移方向與測(cè)試條件無(wú)關(guān)：光生電子由金紅石相向銳鈦礦相遷移，而光生空穴則由銳鈦礦相向金紅石相遷移。
　　利用電化學(xué)還原法對(duì)一維

4、金紅石納米棒進(jìn)行修飾，得到了TiO2體相晶態(tài)/表面無(wú)定型層的特殊結(jié)構(gòu)。利用三電極體系，對(duì)合成的金紅石相納米棒陣列電極在-1.6~-3V偏壓下進(jìn)行電化學(xué)還原，納米棒由白色轉(zhuǎn)為灰色。高分辨透射電鏡表征結(jié)果顯示還原后納米棒表面形成一層無(wú)定型層，無(wú)定型層的厚度隨還原電壓降低而增加。光電化學(xué)表征結(jié)果顯示，具有無(wú)定型層的電極的光電流較處理前顯著提高：TiO2電極在-1.8V下還原0.5s后光電流便明顯增加，還原2s后光電流增加到未處理電極的2.2倍

5、，并在長(zhǎng)達(dá)5h的持續(xù)光照下保持穩(wěn)定。對(duì)還原后電極進(jìn)行的一系列光電化學(xué)及電化學(xué)表征結(jié)果顯示，表面無(wú)定型層可以促進(jìn)光生載流子的遷移并促進(jìn)水氧化反應(yīng)的進(jìn)行。
　　構(gòu)建了TiO2銳鈦礦/金紅石相的異相結(jié)光伏器件，并將其用作自驅(qū)動(dòng)的紫外探測(cè)器。研究發(fā)現(xiàn)在紫外光照射下，異相結(jié)光伏器件的短路電流達(dá)到1.7mA/cm2，即實(shí)現(xiàn)了在無(wú)外加偏壓時(shí)自驅(qū)動(dòng)光生載流子分離，從而在外電路中產(chǎn)生了光響應(yīng)信號(hào)。在385nm紫外光下，異相結(jié)器件的光響應(yīng)可達(dá)到0.0

6、85A/W，該值高于大多數(shù)同類(lèi)器件。在不同波長(zhǎng)光照下對(duì)異相結(jié)器件的測(cè)試結(jié)果顯示，其吸收帶邊位于410nm，具有優(yōu)異的日盲性。通過(guò)對(duì)入射光頻率進(jìn)行調(diào)制，測(cè)到異相結(jié)器件的響應(yīng)時(shí)間約為4μs，顯示其可應(yīng)用于紫外光的超快檢測(cè)。
　　此外，本文也將具有表面無(wú)定型層的金紅石納米棒陣列應(yīng)用于構(gòu)建光電化學(xué)紫外探測(cè)器。利用具有表面無(wú)定型層的TiO2光陽(yáng)極、Pt對(duì)電極、I-/I3-電解液，制備了三明治結(jié)構(gòu)的光電化學(xué)紫外探測(cè)器。結(jié)果顯示表面無(wú)定型層能促