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光電化學與多孔薄關系畢業(yè)論文
隨著社會的發(fā)展，逐漸工業(yè)化，環(huán)境的污染問題及可再生新能源的開發(fā)越來越得到各國的重視，接下來是yjbys小編為大家精心收集的光電化學與多孔薄關系畢業(yè)論文，供大家參考借鑒。
摘要:采用二步電壓氧化法制備了兩組孔徑及孔密度不同的TiO2納米多孔薄膜，利用電化學測試方法對制備出的TiO2納米多孔薄膜的開路電位-時間曲線、交流阻抗譜圖以及計時電流曲線進行了測試，研究了多孔薄膜材料的孔徑及孔密度對材料光電化學性能以及比表面積的影響。結果表明，制備出的具有不同孔徑和孔密度的試片在光照情況下的電化學反應電阻均明顯下降，相關電化學反應更容易發(fā)生;增大薄膜材料的比表面積有利于提高其光電性能，性能最佳的薄膜材料的孔徑為103nm，孔密度為10×108個/cm2。
關鍵詞:TiO2;納米多孔薄膜;陽極氧化;孔徑;孔密度
引言
隨著全球工業(yè)化進程的加速，能源危機日益臨近，環(huán)境污染問題及可再生新能源的開發(fā)越來越得到各國的重視。環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展已成為人類必須考慮的首要問題。而太陽能是一種無污染并且取之不盡的可持續(xù)使用的能源。為實現太陽能的高效利用，研究效率高的光催化劑、光電化學電池以及太陽能電池等成為目前科學研究界的前沿領域[1]。TiO2作為一種來源豐富、價格低廉、性能穩(wěn)定、對環(huán)境友好，并具有多種功能特性的半導體材料，一直以來在化工、電子、能源及環(huán)保等領域有重要的應用價值[2-5]。TiO2納米材料在眾多領域特別是作為高效催化劑和低成本染料敏化太陽能電池光陽極中廣泛應用成為各大領域的研究熱點[6]。然而TiO2只能利用紫外光，導致材料本身在太陽能利用方面效率偏低。因此，如何擴展TiO2的光譜響應范圍，提高其光電性能一直以來被廣大學者所關注。本文采用二步電壓氧化法制備了具有不同孔徑及孔密度的TiO2納米多孔薄膜，通過測試TiO2納米多孔薄膜的開路電位-時間曲線，交流阻抗譜圖以及計時電流曲線研究了多孔薄膜材料的孔徑以及孔密度對材料光電化學性能以及比表面積的影響。
1實驗部分
1.1TiO2納米多孔薄膜制備方法
首先對鈦片基體進行封裝和預處理，去除試樣表面的氧化膜及油污層，封裝及預處理步驟如下:1)將TA2鈦片裁剪為80mm×20mm×0.15mm的試樣，利用AB膠以及載玻片將裁剪好的鈦箔進行封裝，留出15mm×15mm的待氧化區(qū)以及適當面積的導電連接區(qū)，如圖1所示;2)用浸有丙酮的脫脂棉球擦拭鈦片待氧化區(qū)表面，以去除封裝過程中表面殘留的AB膠以及部分油污;3)將封好的試片放入5%NaOH溶液中，在50℃下浸泡5min，蒸餾水清洗;4)將封好的試片放入0.5mol/L的硫酸溶液中室溫下浸泡10s，蒸餾水沖洗;5)以鈦基鍍鉑網為陽極，封好的試片為陰極，在電化學除油液中于10V電壓下對試片進行陰極電解除油15s，蒸餾水沖洗干凈后備用。采用硫酸溶液為電解液，將預處理后的試片與電源正極相連接，將作為對電極的鈦基鍍鉑網與電源負極相連接，應用二步電壓施加方式進行陽極氧化制備TiO2納米多孔薄膜[7-8]。為研究孔徑、孔密度對光電化學性質的影響，參考之前的制備條件[9-10]，分別氧化制備了兩組樣品，一組是孔徑大小相似但孔密度不同的樣品，另一組為孔密度大小相似但孔徑不同的樣品。
1.2TiO2納米多孔薄膜的性能表征
采用CHI660E電化學工作站在室溫下進行電化學測試。以制備的TiO2納米多孔薄膜試片為工作電極，鉑片為輔助電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，0.25mol/L的NaSO4溶液為電解液，組成三電極體系。電化學測試時將組裝好的三電極體系放置于光化學反應器內的升降臺上，調整升降臺的高度以及三電極體系的位置，使反應器中用于模擬太陽光的內置氙燈光源(Solar-500)的光束能夠垂直照射到納米多孔薄膜表面。測試裝置如圖2所示。分別采用開路電位-時間曲線、計時電流-時間曲線以及交流阻抗譜圖的測試方法對試片的光電性能、比表面積等進行表征。開路電位-時間曲線的測試在光照與非光照兩種情況下交替進行，總的測試時間t為400s，光照與非光照的交替間隔t為100s。計時電流-時間曲線在非光照條件下測試，根據穩(wěn)定電位設置測量參數，其中初始電位和高電位均設置為開路電位，Δφ為10mV，設定低電位，選擇負向階躍，半周期為25ms。該方法測試比表面積的原理實質是采用恒電位階躍法測試電極真實表面積。根據雙電層理論，當電極浸入電解液時，電極與溶液界面之間總存在雙電層。在參比電極與研究電極之間施加小幅度的恒電位方波(方波幅值Δφ)，則流經研究電極的電流全部用于雙電層充電，隨著時間推移，充電電流逐漸減小，并且呈現如圖3所示的變化規(guī)律。圖3中陰影部分的面積為雙電層電容器充電的電量Q，Δφ為電位階躍值，i為響應電流，對i在響應時間t內進行積分即可計算出充電電容Cd。以汞電極雙層充電電容值為標準值，記作CN，表示單位真實表面積上的電容值，從而可計算出研究電極的真實表面積S真，再手工測定研究電極的表觀表面積S表，就可算出研究電極的比表面積S比。交流阻抗譜圖的測試在光照及非光照兩種條件下進行測試，測試電位為開路電位，電壓幅度為5mV，頻率范圍為10mHz～10kHz，測試所得的交流阻抗譜圖采用ZSimpWin軟件進行模擬，等效電路圖如圖4所示。采用JEOLJSMΔφ6700F掃描電子顯微鏡測試氧化鈦薄膜的表面形貌，在測試圖片上任選5個微孔測量孔徑并求出孔徑平均值作為孔徑數據;在測試圖片上數出單位標尺面積內的孔的個數，通過圖片標尺數據進行換算，求出每平方厘米內的孔的個數作為孔密度數據。
2結果與討論
2.1孔密度對TiO2多孔薄膜光電特性的影響
為研究孔密度對于制備的TiO2納米多孔薄膜光電特性的影響，根據之前的研究結果[9-10]，制備了一組孔徑大小相似，但是孔密度相差較大的TiO2納米多孔薄膜試片，并采用開路電位-時間曲線、計時電流-時間曲線以及交流阻抗圖譜對制備出的試片的光電化學性能進行了分析。測試結果如圖5及表1所示。圖5為不同孔密度的TiO2納米多孔薄膜開路電位-時間曲線，表1為相應的開路電位在光照和非光照下的變化值。由于光照能夠促使納米TiO2多孔薄膜表面產生光生電子及空穴對，生成的光生電子及空穴緊接著發(fā)生分離并擴散至電極與溶液接觸面形成的雙電層界面，使雙電層的帶電狀況發(fā)生變化，進而改變雙電層的結構，雙電層結構的變化最終導致電極開路電位即穩(wěn)定電位數值的改變。因此通過測試電極在光照及非光照兩種情況下的開路電位，計算出該電位數值的變化，即Δφ來評價材料對于光的敏感性，電極材料對光照越敏感，開路電位的變化值越大，即材料的光電性能越好。從圖5及表1的測試結果可以看出，當孔徑為103nm，孔密度為10×108個/cm2時，試片在光照和非光照時開路電壓的變化值Δφ最大，即該孔徑及孔密度的TiO2多孔薄膜對光照最敏感，具有最佳的光電化學特性。圖6、圖7分別為無光照及光照下不同孔密度的TiO2納米多孔薄膜的交流阻抗譜圖，表2為相應的交流阻抗譜圖的模擬數據。由于阻抗譜圖中阻抗半圓直徑的大小對應著電化學反應電阻的大小，阻抗半圓直徑越大即阻抗半圓弧越大意味著電化學反應電阻越大，即電化學反應進行越困難，因此可以通過測試光照及非光照下試片材料阻抗譜圖，比較阻抗半圓直徑的大小來評價材料的光電化學性能。從圖6、圖7及表2的測試及模擬結果可以看出，所有試片在光照情況下的電化學反應電阻均較非光照條件下明顯下降，即所有試片均對光照具有敏感性，光照時相關電化學反應更容易發(fā)生。且經過進一步對比發(fā)現孔徑為103nm，孔密度為10×108個/cm2的試片在光照及非光照下均具有最小的電化學反應電阻，即該條件下的試片對光照最敏感，具有最佳的光電化學特性。此結論與開路電位-時間曲線的分析相一致。圖8為不同孔密度的TiO2納米多孔薄膜的計時電流-時間曲線，表3為通過對計時電流-時間曲線積分計算所得的相應的比表面積數值。通過表3的數據可以看出，孔徑為103nm，孔密度為10×108個/cm2的試片的比表面積最大，數值為11.30，而比表面積越大，越有利于提高材料的光電性能，由此可見該條件下的試片的性能應最佳，此結論與之前的開路電位-時間曲線以及交流阻抗譜圖的分析結果相一致。綜合以上分析可以看出，當孔徑大小在103nm左右時，光電性能最佳的TiO2納米多孔薄膜的孔密度為10×108個/cm2。
2.2孔徑對TiO2多孔薄膜光電特性的影響
為研究孔徑對制備的TiO2納米多孔薄膜光電特性的影響，根據之前的研究[9-10]，并結合2.1的分析結果，制備了一組孔密度為10×108個/cm2左右，但是孔徑相差較大的TiO2納米多孔薄膜試片，并采用開路電位-時間曲線、計時電流-時間曲線以及交流阻抗譜圖對制備出的試片材料的光電化學性能進行了分析。圖9為不同孔徑的TiO2納米多孔薄膜開路電位-時間曲線，表4為相應的開路電位在光照和非光照下的變化值。從圖9及表4可以看出，當孔徑為103nm，孔密度為10×108個/cm2時，試片在光照和非光照時開路電壓的變化值Δφ最大，即該孔徑及孔密度的TiO2多孔薄膜對光照最敏感，具有最佳的光電化學特性。圖10、圖11分別為無光照及光照下不同孔徑的TiO2納米多孔薄膜的交流阻抗譜圖，表5為相應的交流阻抗的模擬數據。從圖10、圖11及表5可以看出，所有試片在光照情況下的電化學反應電阻均較無光照條件下明顯下降，即所有試片均對光照具有敏感性，在光照情況下相關電化學反應更容易發(fā)生。且經過進一步對比發(fā)現，孔徑為103nm，孔密度為10×108個/cm2的試片在光照及非光照下均具有最小的電化學反應電阻，即該條件下的試片對光照最敏感，具有最佳的光電化學特性。此結論與開路電位-時間曲線的分析相一致。圖12為不同孔徑的TiO2納米多孔薄膜的計時電流-時間曲線，表6為通過對計時電流-時間曲線積分計算所得的相應的比表面積數值。通過表6的數據可以看出，孔徑為103nm，孔密度為10×108個/cm2的試片的比表面積最大，數值為11.30。比表面積越大，越有利于提高材料的光電性能。由此可見該條件下的試片的性能最佳，此結論與開路電位-時間曲線以及交流阻抗譜圖的分析結果相一致。綜上分析可以看出，當孔密度在10×108個/cm2左右時，電性能最佳的TiO2納米多孔薄膜的孔徑為103nm。
3結論
采用二步電壓氧化法制備了兩組孔徑及孔密度大小不同的TiO2納米多孔薄膜，采用電化學測試方法對制備的TiO2納米多孔薄膜的開路電位-時間曲線、交流阻抗譜圖以及計時電流-時間曲線進行了測試，研究了TiO2納米多孔薄膜結構，包括多孔薄膜材料的孔密度和孔徑對于材料光電化學性能以及比表面積的影響。結果表明，制備出的具有不同孔徑和孔密度的試片在光照情況下的電化學反應電阻均明顯下降，相關電化學反應更容易發(fā)生;增大薄膜材料的比表面積有利于提高其光電性能。當孔徑大小在103nm左右時，光電性能最佳的TiO2納米多孔薄膜的孔密度為10×108個/cm2;而當孔密度大小在10×108個/cm2左右時，光電性能最佳的TiO2納米多孔薄膜的孔徑為103nm。說明性能最佳的薄膜材料結構為孔徑103nm，孔密度為10×108個/cm2。
參考文獻
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