TiO_%282%29纳米管阵列的制备及光电转化性能研究.pdf

纳米管阵列的制备及光电转化性能研究李 荡王 雷张 杨李远勋(凯里学院 理学院贵州 凯里)摘 要:先采用电化学沉积法以 作为电沉积液在 导电玻璃基底上制备了 纳米棒阵列结构 然后以 纳米棒阵列作为模板采用溶胶凝胶方法在其表面制备 薄膜 最后用 溶液去除模板得到 纳米管阵列 通过扫描电子显微镜、射线能谱仪、射线衍射仪等技术对样品的结构、表面形貌及组成进行了表征 研究了电解液浓度对 薄膜表面形态的影响以及溶胶凝胶过程中溶胶陈化时间对 结构的影响 并将 纳米管阵列作为染料敏化电池阳极研究材料的光电转化效率 结果表明:电解液浓度为./时沉积的 质量较高以该条件下制备的 为模板陈化时间为 时可制备出尺寸均一结构较好的有序 纳米管阵列 将陈化时间为 下制备的 纳米管阵列组装至 电池中电池的效率可高达 关键词:电沉积纳米管阵列 电池中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.()()()./.:太阳能是资源最丰富的可再生能源具有独特的优势和巨大的开发利用潜力充分利用太阳能有利于保持人与自然的和谐相处和协调发展 太阳能电池是根据光生伏特原理制成的光电转换器件 目前为止基于半导体硅及无机半导体化合物的太阳能电池光电转换效率最高已达 但长期以来复杂的制作工艺和昂贵的成本限制了它们的发展和应用 而染料敏化太阳能电池()是工程与材料科学/第 卷根据光生伏特原理将太阳能直接转换成电能的一种半导体光电器件是伴随着半导体电化学发展起来的一个崭新的科学研究领域纳米 作为一种重要的无机功能材料由于其具有粒径小、比表面积大、吸收紫外线能力强、光催化性能好、磁性强、热导性好、易分散、所制悬浮液稳定等优点而倍受关注 与 纳米颗粒相比纳米管具有更大的比表面积、更高的光催化活性和更强的吸附能力在光催化剂、太阳能电池、气敏传感材料和超级电容器方面有着广泛的应用 制备和开发 纳米管已成为国内外的一个研究热点尤其制备有序排列的 纳米管阵列是 纳米管制备研究领域的一个重要发展方向 提出了基于纳米晶二氧化钛多孔电极的染料敏化太阳能电池并获得成功其光电转换效率超过 等人首次提出了 纳米管阵列薄膜的制备方法采用阳极氧化在钛片表面制备了一层高度有序的纳米管阵列结构 通过控制阳极氧化电压、电解质组成、值和氧化时间等能够有效地控制 薄膜的微观结构参数如纳米管的直径、管长和管壁厚度等从而实现了对制膜工艺的控制 研究小组报道了采用 纳米管阵列薄膜作为电机组装的染料敏化太阳能电池体系 但目前 纳米管阵列染料敏化太阳能电池的光电转化效率还不高作为一种新型的半导体薄膜材料仍有许多问题有待于进一步研究因此本课题以电沉积 纳米棒薄膜为模板制备 纳米管 之所以选择电沉积法制备一维 纳米棒是由于该方法简单、快速、低温并且可以控制 纳米棒的密度、直径和高度以及它能够在玻璃、硅板、导电基板等大面积上运用 此外可以充分利用钛前驱物的溶胶凝胶反应严格控制工艺过程形成垂直对齐独立的 纳米管阵列跟任何真空技术相比溶胶凝胶过程低成本、高透光率这对于实际应用很重要 最后可通过 射线衍射仪()、能量色散 射线谱()、扫描电子显微镜()进行表征并对其形貌、结构进行研究 实验部分.原料与试剂实验所用试剂包括:钛酸四正丁酯(.国药集团化学试剂有限公司)氯化锌(.国药集团化学试剂有限公司)氯化钾(.天津市申泰化学试剂有限公司)二乙醇胺(.天津市巴斯夫化工有限公司)丙酮(.湖南师大化学试剂厂)异丙醇().天津市大茂化学试剂厂)无水乙醇(.安徽安特生物化学有限公司)实验采用 导电玻璃处理方法:分别在丙酮、无水乙醇、去离子水中分别超声振荡 晾干.纳米棒模板的制备在标准三电极电池体系中以 导电玻璃为工作电极(阴极)铂电极为对电极(阳极)饱和甘汞电极为参比电极./作为辅助电解液为电解质溶液浓度分别控制为./、./、./以研究电解液浓度对 的影响 组装好电解池后控制温度为 沉积电压为.沉积时间为 电沉积出 纳米棒模板.纳米管的制备将钛酸四丁酯、无水乙醇、二乙醇胺、去离子水以质量为 .配置钛前驱体陈化时间分别为 、研究陈化时间对 纳米管的影响 将制备好的 纳米棒模板垂直浸渍于钛前驱体中浸渍时间为 然后以/将模板提出待模板在空气中完全蒸干 将制好的模板在 下加热 再以 /升温至 加热 然后让样品随炉子自然冷却 最后将煅烧好后的导电玻璃浸渍于./的 溶液中 以除去 模板.测试与表征通过扫描电子显微镜()对 纳米棒模板和 纳米管进行表征来考察沉积液浓度对 薄膜表面形态的影响溶胶凝胶过程中溶胶陈化时间对 结构的影响 通过能谱图()贵 州 科 学():来观察 纳米棒模板是否去除干净通过 射线衍射仪()来分析 纳米管的晶型结构最后用紫外可见()光谱仪分析 纳米管对光的吸收情况 结果与讨论图 为电解液分别是./、./、./下制备 的 图 从图可看出当电解液浓度较低时合成的 为纳米棒状结构且纳米棒的直径随着电解液浓度的增加而减小如图()和图()所示 当电解液浓度较高时如图()所示合成的 呈纳米颗粒状态且颗粒的团聚度较大BNPM-CNPM-DNPM-图 不同浓度电解液下制备 模板的 图电沉积制备 的反应机理如下:()()()()()总反应为:.()当 浓度为./扩散至电极表面的过程几乎不受外界因素限制使得其在电极表面的浓度较高此时反应过程中 的消耗可忽略不计浓度的增加将使反应()的反应速率加快进而增加 晶粒在基底上的密度随着时间的增长生成密度大、直径较小的 纳米棒 当浓度为./时扩散至电极表面受到阻碍使得其在电极表面的浓度减小从而导致 晶粒在基底上的密度减小生成密度小、直径较大的 纳米棒图 为陈化时间分别为 、及 下制备 纳米管的 图 陈化时间为 时如图()所示由于钛醇盐水解得不够充分导致钛前驱物中 胶体浓度较小钛溶胶未能很好地包覆 模板使得纳米管之间的连接性差并且管壁较短容易破碎、塌陷不规则 当陈化时间为 胶体浓度大溶胶包覆 模板过于严密导致在去除模板时未能将 去除完全不易去模当陈化时间为 钛醇盐的水解较好胶体浓度适中溶胶流动性较好能够很好地包覆 模板且容易去模板因此可以得到尺寸均一的 纳米管阵列BICIDI图 不同陈化时间下制备 纳米管的 图图 为 去除前后材料的 图图中的、元素来自于 导电玻璃 去除前除了有、元素外还有 元素表明材料中含有 和 两种材料 去除后 元素消失表明经盐酸处理后材料中的 去除完全只剩B;O0C;O0LF75J5J5J5J5JC4J4J4O4O;O;O;OB00图 去除前后材料的 图图 为陈化时间分别为 、及 下制备 纳米管的 漫反射图 对于纯 吸收边的范围为 这种吸收边缘是由电子从深价带跃迁到导带的产生 从图 可以看出在不同陈化时间下制备 纳米管的吸收边均在 范围内表明合成的 纳米管纯度较高 从图还可以看出陈化时间为 时材料对光的反射率最低这可能与尺寸均一且有序形貌有关这种有序的结构可使光电子传导速率工程与材料科学/第 卷加快减小载流子的损失增加材料对光的吸收进而降低反射率IIION图 不同陈化时间下制备 纳米管的 漫反射图III D NF7图 以不同陈化时间下制备 的纳米管为阳极组装成 电池的电流电压曲线图以不同陈化时间下制备 的纳米管为阳极组装成 电池各电池参数如表 所示 从表中可以看出以陈化时间为 下制备 的纳米管为阳极 电池的效率可高达 而以陈化时间为 和 下制备 的纳米管为阳极 电池的效率仅为 和 主要的原因可能是陈化时间 下制备 的纳米管分布均匀比表面积较大该种有序的结构不仅有利于电子与空穴的运输降低电子与空穴的复合率且大的比表面积能够接收更多的光使光电转化效率增加表 以不同陈化时间下制备 的纳米管为阳极组装成 电池的参数样品编号测试参数电压/电流/(/)/.结论先采用电化学沉积法以 作为电沉积液在 导电玻璃基底上制备了 纳米棒阵列结构 然后以 纳米棒阵列作为模板采用溶胶凝胶方法在其表面制备 薄膜 最后用 溶液去除模板得到 纳米管阵列 研究了电解液浓度对 薄膜表面形态的影响以及溶胶凝胶过程中溶胶陈化时间对 结构的影响 并将纳米管阵列作为染料敏化电池阳极研究材料的光电转化效率 结果表明:)电解液为./时生成的 纳米棒密度大、直径小)陈化时间为 时可以制备出尺寸均一的 纳米管阵列)由于以陈化时间为 下制备 的纳米管分布均匀比表面积较大以其作为 电池的阳极效率可高达 参考文献【】刘艳彪周保学熊必涛等.纳米管阵列太阳能电池薄膜材料及电池性能研究.科学通报():.:.():.刘仁龙张云怀.光催化氧化性能的影响因素.重庆大学学报社会科学版():.曹连秋李冬孔祥吉等./光催化降解水中微量莠去津的研究.哈尔滨商业大学学报(自然科学版)():.:.:.:():.贵 州 科 学():滑坡碎屑流堵江形成过程的模型试验研究何浩波吕定励彭克喜陈紫怡廖海梅(贵州大学土木工程学院贵州 贵阳)摘 要:滑坡堵江是我国一种重要地质灾害对堵江堆积体上下游的人民生命财产安全构成巨大威胁 研究滑坡碎屑流堵江的形成过程有助于理解堵江堆积体几何形态与颗粒分布特性从而为堰塞坝风险评估方法的建立与应急处置方案的制定提供理论依据 本文通过开展室内物理模型试验探讨不同颗粒质量比的分层滑源体的运动时间、堵江堆积体几何形态特征 试验结果表明小粒径质量占比越小滑坡堵江总运动时间越短在滑槽前、中、后三段的平均速度越大 同时随着滑源体中小粒径质量占比的减小堵江堆积体宽度 越大长度 越小而高度 无明显差异关键词:滑坡堵江碎屑流运动过程堆积体几何参数中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.:何运兵钟兆翔林志杰等.整体网式 纳米管的制备及其工艺条件的优化.东莞理工学院学报():.(/):.():.:.收稿日期:修回日期:基金项目:黔东南科合 字 号凯里学院校级规划课题作者简介:李 荡()女湖南人硕士副教授主要从事纳米材料方面的研究工程与材料科学/第 卷