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光電化學(xué)與多孔薄關(guān)系畢業(yè)論文
隨著社會(huì)的發(fā)展，逐漸工業(yè)化，環(huán)境的污染問(wèn)題及可再生新能源的開(kāi)發(fā)越來(lái)越得到各國(guó)的重視，接下來(lái)是yjbys小編為大家精心收集的光電化學(xué)與多孔薄關(guān)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(xué)測(cè)試方法對(duì)制備出的TiO2納米多孔薄膜的開(kāi)路電位-時(shí)間曲線(xiàn)、交流阻抗譜圖以及計(jì)時(shí)電流曲線(xiàn)進(jìn)行了測(cè)試，研究了多孔薄膜材料的孔徑及孔密度對(duì)材料光電化學(xué)性能以及比表面積的影響。結(jié)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(xué)反應(yīng)電阻均明顯下降，相關(guān)電化學(xué)反應(yīng)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(gè)/cm2。
關(guān)鍵詞:TiO2;納米多孔薄膜;陽(yáng)極氧化;孔徑;孔密度
引言
隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的加速，能源危機(jī)日益臨近，環(huán)境污染問(wèn)題及可再生新能源的開(kāi)發(fā)越來(lái)越得到各國(guó)的重視。環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展已成為人類(lèi)必須考慮的首要問(wèn)題。而太陽(yáng)能是一種無(wú)污染并且取之不盡的可持續(xù)使用的能源。為實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的高效利用，研究效率高的光催化劑、光電化學(xué)電池以及太陽(yáng)能電池等成為目前科學(xué)研究界的前沿領(lǐng)域[1]。TiO2作為一種來(lái)源豐富、價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定、對(duì)環(huán)境友好，并具有多種功能特性的半導(dǎo)體材料，一直以來(lái)在化工、電子、能源及環(huán)保等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值[2-5]。TiO2納米材料在眾多領(lǐng)域特別是作為高效催化劑和低成本染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極中廣泛應(yīng)用成為各大領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[6]。然而TiO2只能利用紫外光，導(dǎo)致材料本身在太陽(yáng)能利用方面效率偏低。因此，如何擴(kuò)展TiO2的光譜響應(yīng)范圍，提高其光電性能一直以來(lái)被廣大學(xué)者所關(guān)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(guò)測(cè)試TiO2納米多孔薄膜的開(kāi)路電位-時(shí)間曲線(xiàn)，交流阻抗譜圖以及計(jì)時(shí)電流曲線(xiàn)研究了多孔薄膜材料的孔徑以及孔密度對(duì)材料光電化學(xué)性能以及比表面積的影響。
1實(shí)驗(yàn)部分
1.1TiO2納米多孔薄膜制備方法
首先對(duì)鈦片基體進(jìn)行封裝和預(yù)處理，去除試樣表面的氧化膜及油污層，封裝及預(yù)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(jìn)行封裝，留出15mm×15mm的待氧化區(qū)以及適當(dāng)面積的導(dǎo)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(guò)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(wǎng)為陽(yáng)極，封好的試片為陰極，在電化學(xué)除油液中于10V電壓下對(duì)試片進(jìn)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(yù)處理后的試片與電源正極相連接，將作為對(duì)電極的鈦基鍍鉑網(wǎng)與電源負(fù)極相連接，應(yīng)用二步電壓施加方式進(jìn)行陽(yáng)極氧化制備TiO2納米多孔薄膜[7-8]。為研究孔徑、孔密度對(duì)光電化學(xué)性質(zhì)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(xué)工作站在室溫下進(jìn)行電化學(xué)測(cè)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(xué)測(cè)試時(shí)將組裝好的三電極體系放置于光化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)的升降臺(tái)上，調(diào)整升降臺(tái)的高度以及三電極體系的位置，使反應(yīng)器中用于模擬太陽(yáng)光的內(nèi)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(cè)試裝置如圖2所示。分別采用開(kāi)路電位-時(shí)間曲線(xiàn)、計(jì)時(shí)電流-時(shí)間曲線(xiàn)以及交流阻抗譜圖的測(cè)試方法對(duì)試片的光電性能、比表面積等進(jìn)行表征。開(kāi)路電位-時(shí)間曲線(xiàn)的測(cè)試在光照與非光照兩種情況下交替進(jìn)行，總的測(cè)試時(shí)間t為400s，光照與非光照的交替間隔t為100s。計(jì)時(shí)電流-時(shí)間曲線(xiàn)在非光照條件下測(cè)試，根據(jù)穩(wěn)定電位設(shè)置測(cè)量參數(shù)，其中初始電位和高電位均設(shè)置為開(kāi)路電位，Δφ為10mV，設(shè)定低電位，選擇負(fù)向階躍，半周期為25ms。該方法測(cè)試比表面積的原理實(shí)質(zhì)是采用恒電位階躍法測(cè)試電極真實(shí)表面積。根據(jù)雙電層理論，當(dāng)電極浸入電解液時(shí)，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(jīng)研究電極的電流全部用于雙電層充電，隨著時(shí)間推移，充電電流逐漸減小，并且呈現(xiàn)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(yīng)電流，對(duì)i在響應(yīng)時(shí)間t內(nèi)進(jìn)行積分即可計(jì)算出充電電容Cd。以汞電極雙層充電電容值為標(biāo)準(zhǔn)值，記作CN，表示單位真實(shí)表面積上的電容值，從而可計(jì)算出研究電極的真實(shí)表面積S真，再手工測(cè)定研究電極的表觀(guān)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(cè)試在光照及非光照兩種條件下進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試電位為開(kāi)路電位，電壓幅度為5mV，頻率范圍為10mHz～10kHz，測(cè)試所得的交流阻抗譜圖采用ZSimpWin軟件進(jìn)行模擬，等效電路圖如圖4所示。采用JEOLJSMΔφ6700F掃描電子顯微鏡測(cè)試氧化鈦薄膜的表面形貌，在測(cè)試圖片上任選5個(gè)微孔測(cè)量孔徑并求出孔徑平均值作為孔徑數(shù)據(jù);在測(cè)試圖片上數(shù)出單位標(biāo)尺面積內(nèi)的孔的個(gè)數(shù)，通過(guò)圖片標(biāo)尺數(shù)據(jù)進(jìn)行換算，求出每平方厘米內(nèi)的孔的個(gè)數(shù)作為孔密度數(shù)據(jù)。
2結(jié)果與討論
2.1孔密度對(duì)TiO2多孔薄膜光電特性的影響
為研究孔密度對(duì)于制備的TiO2納米多孔薄膜光電特性的影響，根據(jù)之前的研究結(jié)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(kāi)路電位-時(shí)間曲線(xiàn)、計(jì)時(shí)電流-時(shí)間曲線(xiàn)以及交流阻抗圖譜對(duì)制備出的試片的光電化學(xué)性能進(jìn)行了分析。測(cè)試結(jié)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(kāi)路電位-時(shí)間曲線(xiàn)，表1為相應(yīng)的開(kāi)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(chǎn)生光生電子及空穴對(duì)，生成的光生電子及空穴緊接著發(fā)生分離并擴(kuò)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(jìn)而改變雙電層的結(jié)構(gòu)，雙電層結(jié)構(gòu)的變化最終導(dǎo)致電極開(kāi)路電位即穩(wěn)定電位數(shù)值的改變。因此通過(guò)測(cè)試電極在光照及非光照兩種情況下的開(kāi)路電位，計(jì)算出該電位數(shù)值的變化，即Δφ來(lái)評(píng)價(jià)材料對(duì)于光的敏感性，電極材料對(duì)光照越敏感，開(kāi)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(cè)試結(jié)果可以看出，當(dāng)孔徑為103nm，孔密度為10×108個(gè)/cm2時(shí)，試片在光照和非光照時(shí)開(kāi)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(duì)光照最敏感，具有最佳的光電化學(xué)特性。圖6、圖7分別為無(wú)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(yīng)的交流阻抗譜圖的模擬數(shù)據(jù)。由于阻抗譜圖中阻抗半圓直徑的大小對(duì)應(yīng)著電化學(xué)反應(yīng)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(xué)反應(yīng)電阻越大，即電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行越困難，因此可以通過(guò)測(cè)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(lái)評(píng)價(jià)材料的光電化學(xué)性能。從圖6、圖7及表2的測(cè)試及模擬結(jié)果可以看出，所有試片在光照情況下的電化學(xué)反應(yīng)電阻均較非光照條件下明顯下降，即所有試片均對(duì)光照具有敏感性，光照時(shí)相關(guān)電化學(xué)反應(yīng)更容易發(fā)生。且經(jīng)過(guò)進(jìn)一步對(duì)比發(fā)現(xiàn)孔徑為103nm，孔密度為10×108個(gè)/cm2的試片在光照及非光照下均具有最小的電化學(xué)反應(yīng)電阻，即該條件下的試片對(duì)光照最敏感，具有最佳的光電化學(xué)特性。此結(jié)論與開(kāi)路電位-時(shí)間曲線(xiàn)的分析相一致。圖8為不同孔密度的TiO2納米多孔薄膜的計(jì)時(shí)電流-時(shí)間曲線(xiàn)，表3為通過(guò)對(duì)計(jì)時(shí)電流-時(shí)間曲線(xiàn)積分計(jì)算所得的相應(yīng)的比表面積數(shù)值。通過(guò)表3的數(shù)據(jù)可以看出，孔徑為103nm，孔密度為10×108個(gè)/cm2的試片的比表面積最大，數(shù)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(jiàn)該條件下的試片的性能應(yīng)最佳，此結(jié)論與之前的開(kāi)路電位-時(shí)間曲線(xiàn)以及交流阻抗譜圖的分析結(jié)果相一致。綜合以上分析可以看出，當(dāng)孔徑大小在103nm左右時(shí)，光電性能最佳的TiO2納米多孔薄膜的孔密度為10×108個(gè)/cm2。
2.2孔徑對(duì)TiO2多孔薄膜光電特性的影響
為研究孔徑對(duì)制備的TiO2納米多孔薄膜光電特性的影響，根據(jù)之前的研究[9-10]，并結(jié)合2.1的分析結(jié)果，制備了一組孔密度為10×108個(gè)/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(kāi)路電位-時(shí)間曲線(xiàn)、計(jì)時(shí)電流-時(shí)間曲線(xiàn)以及交流阻抗譜圖對(duì)制備出的試片材料的光電化學(xué)性能進(jìn)行了分析。圖9為不同孔徑的TiO2納米多孔薄膜開(kāi)路電位-時(shí)間曲線(xiàn)，表4為相應(yīng)的開(kāi)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(dāng)孔徑為103nm，孔密度為10×108個(gè)/cm2時(shí)，試片在光照和非光照時(shí)開(kāi)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(duì)光照最敏感，具有最佳的光電化學(xué)特性。圖10、圖11分別為無(wú)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(yīng)的交流阻抗的模擬數(shù)據(jù)。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(xué)反應(yīng)電阻均較無(wú)光照條件下明顯下降，即所有試片均對(duì)光照具有敏感性，在光照情況下相關(guān)電化學(xué)反應(yīng)更容易發(fā)生。且經(jīng)過(guò)進(jìn)一步對(duì)比發(fā)現(xiàn)，孔徑為103nm，孔密度為10×108個(gè)/cm2的試片在光照及非光照下均具有最小的電化學(xué)反應(yīng)電阻，即該條件下的試片對(duì)光照最敏感，具有最佳的光電化學(xué)特性。此結(jié)論與開(kāi)路電位-時(shí)間曲線(xiàn)的分析相一致。圖12為不同孔徑的TiO2納米多孔薄膜的計(jì)時(shí)電流-時(shí)間曲線(xiàn)，表6為通過(guò)對(duì)計(jì)時(shí)電流-時(shí)間曲線(xiàn)積分計(jì)算所得的相應(yīng)的比表面積數(shù)值。通過(guò)表6的數(shù)據(jù)可以看出，孔徑為103nm，孔密度為10×108個(gè)/cm2的試片的比表面積最大，數(shù)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(jiàn)該條件下的試片的性能最佳，此結(jié)論與開(kāi)路電位-時(shí)間曲線(xiàn)以及交流阻抗譜圖的分析結(jié)果相一致。綜上分析可以看出，當(dāng)孔密度在10×108個(gè)/cm2左右時(shí)，電性能最佳的TiO2納米多孔薄膜的孔徑為103nm。
3結(jié)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(xué)測(cè)試方法對(duì)制備的TiO2納米多孔薄膜的開(kāi)路電位-時(shí)間曲線(xiàn)、交流阻抗譜圖以及計(jì)時(shí)電流-時(shí)間曲線(xiàn)進(jìn)行了測(cè)試，研究了TiO2納米多孔薄膜結(jié)構(gòu)，包括多孔薄膜材料的孔密度和孔徑對(duì)于材料光電化學(xué)性能以及比表面積的影響。結(jié)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(xué)反應(yīng)電阻均明顯下降，相關(guān)電化學(xué)反應(yīng)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(dāng)孔徑大小在103nm左右時(shí)，光電性能最佳的TiO2納米多孔薄膜的孔密度為10×108個(gè)/cm2;而當(dāng)孔密度大小在10×108個(gè)/cm2左右時(shí)，光電性能最佳的TiO2納米多孔薄膜的孔徑為103nm。說(shuō)明性能最佳的薄膜材料結(jié)構(gòu)為孔徑103nm，孔密度為10×108個(gè)/cm2。
參考文獻(xiàn)
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