The role of n–p junction electrodes in minimizing the charge recombination and enhancement of photocurrent and photovoltage in dye sensitized solar cells

The composite electrode comprising n-type TiO₂ and p-type NiO oxides when sensitized with Ru-dye showed short-circuit photocurrent (I_sc) of 17 mA/cm² and open-circuit photovoltage (V_oc) of 730 mV compared to I_sc of 12 mA/cm² and 700 mV for TiO₂ electrodes. Formation of a n–p junction between TiO₂ and NiO oxide layers contributes to the enhanced photocurrent, photovoltage, fill factor and efficiency. In addition to the junction effect, NiO acts as a barrier for charge recombination leading to higher cell performance. The efficiency of the NiO coated TiO₂ solar cell is 30% more than that of bare TiO₂. The negative shift of the flat-band potential of the NiO coated TiO₂ electrode compared to TiO₂ also could be one of the reasons for higher photovoltage observed for TiO₂/NiO electrode. The highest cell efficiencies were obtained immersing TiO₂ thin films in Ni²⁺ solution and converting them to NiO by firing and the optimum NiO coating thickness was found to be only a few angstroms. The energy levels of the excited dye and the band positions of TiO₂ and NiO suggest that the electron transfer from the excited dye to the underlying n-type oxide layer occurs by tunneling through the p-type NiO layer.     

纳米TiO2的光生电荷迁移特性研究

利用场诱导光电压谱(简称FISPS)和瞬态光伏(简称TPV)技术研究了TiO₂的光生电荷的产生和传输机制.发现光生电荷在体块TiO₂上的迁移机制不同于在纳米TiO₂上的迁移机制，也不同于在结界面空间电荷区的迁移机制. 400 ℃处理的TiO₂颗粒表面具有大量的表面态，光生电荷被表面态捕获-释放机制控制着光伏行为的过程是慢过程. 800 ℃处理的TiO₂已经形成了完整的能带结构，光伏响应除了表现带-带跃迁外,还有一个在带边的自由激子带，光生电荷被表面自建场驱动进行传递的过程是快过程. 600 ℃处理的TiO₂混晶由锐钛矿型和金红石型两种构型组成，在两相之间存在着较低势垒的结界面．它的光伏响应受控于两种机制 ：光生电荷在两相间结界面空间电荷区的传输和在表面自建场驱动下的传输.当激发光强较小时，界面空间电荷区的光生电子由于积累的浓度较小而不能隧穿过结界面，这种场助隧穿只有在外场作用下才能发生.     

Template Synthesis and Characterization of Cu2O/TiO2 Coaxial Nanocable for Photocatalysis

Coaxial nanocable consisted of p-type Cu₂O nanowires and n-type TiO₂ nanotubes arrays was prepared in the porous anodic aluminum oxide(AAO) template via the sol-gel method and subsequent electrodeposition method. X-ray diffraction analysis identified an anatase structure of the TiO₂ nanotubes and cubic structure of the Cu₂O nanowires. The obtained samples were also characterized by scanning electron microscopy(SEM), transmission electron microscopy(TEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy(EDS). The diffrence of open circuit potential of the coaxial nanocable electrode was larger than that of the TiO₂ nanotubes electrode under ultraviolet illumination, which means doping with Cu₂O could improve the photovoltage effectively. Meanwhile, nanocable arrays exhibited a high activity for photodegrading Rhodamine B under Xe lamp irradiation and the photocatalysis degradation efficiency was up to 98.69% after degradation for 7 h. The enhanced photocatalytic activity could be attributed to the high migration efficiency of photoinduced electrons, which may suppress the charge recombination effectively.     

对电极性能对染料敏化太阳电池动力学过程的影响

借助电化学阻抗谱(EIS)和强度调制光电流谱(IMPS)/强度调制光电压谱(IMVS)技术, 采用不同纳米TiO₂多孔薄膜对电极研究了染料敏化太阳电池(DSC)内部2个主要电荷输运过程的内在联系, 并探讨了载Pt材料对DSC界面动力学过程及电池宏观性能的影响机理. 借助等效电路模型分析了基于不同对电极材料电池的填充因子变化原因. 结果表明, 对电极材料的电极电荷交换过程制约光阳极膜内电子传输, 进而影响电池光伏性能; 同时对电极催化反应速率主要与催化剂活性、 载Pt材料电导率和催化反应面积有关.     

TiO2/Bi2O3纳米复合体的制备及可见光催化产氢性能

首先采用相分离的水解-溶剂热法制备了Bi₂O₃纳米粒子,然后利用简单的湿化学法在Bi₂O₃表面负载不同比例的TiO₂纳米颗粒,进而得到TiO₂/Bi₂O₃纳米复合体。通过气氛调控的表面光电压谱(SPS)等测试表明,表面负载适量的TiO₂后能够提高Bi₂O₃光生电荷分离。可见光催化产氢和降解污染物测试结果进一步证明,表面负载适量的TiO₂后可显著提高其可见光催化活性,其中Ti/Bi摩尔比为7%时具有最高的光催化活性。这主要归因于TiO₂具有较为合适的导带能级位置,可以接收Bi₂O₃在可见光激发下所产生的高能级电子,从而抑制光生电子-空穴对复合,并且维持了高能级电子较高的还原能力。     

N掺杂TiO_2纳米粒子表面光生电荷特性与光催化活性

以尿素为氮源,采用水热法制备了不同N掺杂量的TiO2(N-TiO2)光催化剂.利用X射线衍射(XRD),紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS),X射线光电子能谱(XPS)及荧光(PL)光谱等技术对其进行了系统的表征.以罗丹明B(RhB)和甲基橙(MO)溶液的脱色降解为模型反应,分别考察了N-TiO2光催化剂在紫外和可见光区的光催化活性.利用表面光伏(SPV)和瞬态光伏(TPV)技术研究了N-TiO2纳米粒子表面光生电荷的产生和传输机制,并探讨了光生电荷与光催化活性之间的关系.结果显示,随着N含量的增大,TiO2表面光伏响应阈值红移,可见光部分光电压响应强度逐渐增强,瞬态光伏响应达到最大值的时间亦有着不同程度的延迟.这表明适量的N掺杂能够提高TiO2纳米粒子中光生载流子的分离效率,相应地延长载流子的传输时间,增加光生电荷的寿命,从而促进其光催化活性;而过量的N掺杂则增加了TiO2纳米粒子中光生载流子的复合中心,抑制其光催化活性.     

The photocatalytic activity of TiO2 foam and surface modified binary oxide titania nanoparticles

Surface modified titania dioxide composite nanoparticles prepared by hydrogen reduction reaction and a mesoporous TiO₂ foam made from a surface modifier and a long chain organic surfactant were characterized by diffractive, spectroscopic and microscopic techniques and studied for their catalytic activity towards the decomposition of an industrial water pollutant, methyl orange. The surface deposition of ruthenium and silicon particles improved the photocatalytic activity of the composite particles resulting in a faster decomposition of the methyl orange compared to commercial TiO₂ alone. Modification of TiO₂ with RuO₂ only offered a marginal benefit over TiO₂ while the incorporation of RuO₂ and SiO₂ into TiO₂ resulted in a marked increase in the rate constant and catalytic activity. These results are consistent with the enhanced surface properties of the composite materials resulting from the modification of TiO₂ with RuO₂ and SiO_2. This surface enhancement effects appear synergetic to the charge separation process and hence the photocatalytic results are explained on the basis of a mechanism involving efficient charge transfer across the interfaces of the composites involving photogenerated electron–hole pairs. Results obtained in this study show that the percentage degradation after 1 h of illumination was 47.15% for TiO₂ foam, 75.5 and 106.4%, respectively, for TiO₂/RuO₂ (SiO₂ 5%, w/w) and TiO₂/RuO₂(SiO₂ 10%, w/w) and 34.15% for commercial TiO₂.     

金红石相TiO_2纳米棒的氢化处理及其光催化活性

以钛酸四丁酯为钛源,通过盐酸调制的水热法制备出了具有棒状结构的金红石相纳米TiO2,并进一步进行高温氢化处理.采用X射线衍射(XRD),透射电镜(TEM),紫外-可见-近红外漫反射(UV-Vis-NIR DRS),电子顺磁共振(EPR)和表面光伏(SPS)等测试手段对样品进行表征,以气相乙醛和液相苯酚为目标污染物考察催化剂的光催化活性.结果表明:随着高温氢化处理时间的延长,TiO2样品的可见光吸收逐渐增强,其颜色逐渐由白色转变成灰色,这主要与引入的Ti3+/氧空位缺陷有关.表面光电压谱和羟基自由基测试表明,适当时间的氢化处理有利于光生电荷的分离.在光催化氧化降解气相乙醛和液相苯酚过程中,经适当时间氢化处理的样品表现出高的可见光催化活性.并且可见光催化活性的规律与紫外光下的是一致的.这是因为氢化处理后在导带底下方引入了缺陷能级,拓展了可见光响应.过度的氢化处理会在TiO2导带下方引入较低的缺陷能级,使光生电荷的复合加剧,导致光催化活性降低.     

偏压控制Cu2O和Cu在TiO2表面的生长及其光电化学性质

基于TiO2/Ti电极在含Cu2+溶液中的循环伏安图,调节电沉积的沉积电压,我们在TiO2平整表面制备出Cu2O和/或Cu颗粒.通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)表征,发现Cu2O和Cu有不同的生长机制:Cu2O颗粒在TiO2表面分散结晶,而Cu颗粒是在已生长的颗粒上成核,从而形成堆积颗粒结构.这是由于在Cu2O/TiO2界面和Cu/TiO2界面形成不同的能带结构,使得电子的转移方式不同.与纯TiO2光阳极比较,可以观察到Cu2O/TiO2和Cu/TiO2异质结构的光电流均有显著增强.特别地,存在一个电压区间使得Cu2O和Cu同时生长在TiO2表面,此时对应的光电流比较稳定并且能达到最大.紫外-可见(UV-Vis)漫反射光谱、电化学阻抗谱(EIS)和光电流-电压特性曲线均显示,Cu2O和Cu明显有助于光的可见光吸收,同时Cu/TiO2在光电转换过程中显示更宽波段的可见光利用率.此外,开路电压的增加、有效的电荷分离和电极/电解质界面上载流子的快速迁移也增强了材料的光电化学性质.     

TiO2表面光催化基元过程

在过去的几十年里,得益于二氧化钛(TiO₂)作为光催化剂在光催化分解水、污染物降解方面的潜在应用,人们对TiO₂光催化剂的开发、改良以及TiO₂表面光催化机理的基础研究方面都投入了巨大的精力。因此,在超高真空环境下,利用不同的实验和理论方法,人们对TiO₂表面(特别是金红石TiO₂(110)表面)的热催化和光催化过程进行了大量的研究,以此来获得上述重要反应中的一些机理性的信息。本文中,将从TiO₂的物质结构以及电子结构开始,然后着重介绍TiO₂表面光生电荷(电子和空穴)的传输、捕获以及电子转移动力学方面的进展。在此基础上,总结了甲醇在金红石TiO₂(110)、TiO₂(011)以及锐钛矿TiO₂(101)表面光化学基元反应过程的一些实验结果。这些结果不仅能增进我们对表面光催化基元过程的认识,同时也能激励我们进一步去研究表面光催化基元过程。最后,基于现有光化学实验结果,简短地讨论了我们对光催化反应机理的一点看法,并提出了一个可能的光催化模型,这可以引起人们对光催化反应机理更全面的思考。     

半菁染料作为染料敏化太阳能电池吸光材料的理论研究

采用第一性原理研究了半菁-二氧化钛团簇形成的配合物(hemicyanine-(TiO₂)_n)的光电子转移过程, 这里n分别取5, 9, 15. 配合物基态构型采用密度泛函理论方法进行优化, 而激发态采用含时密度泛函理论进行计算. 采用长程相关校正的密度泛函CAM-B3LYP和ωB97X-D计算的激发能与实验值吻合得很好. 依据广义Mulliken-Hush (GMH)公式, 基于密度泛函理论得到的波函数被用来计算电荷转移积分, 进而可根据Marcus理论计算出电荷分离速率常数(k_CS)和电荷回传速率常数(k_CR). 计算结果表明电子从染料到(TiO₂)_n团簇的传递有多条通道, 这使得k_CS具有更大值, 相反, 只具有单通道的电荷回传降低了k_CR值, 与k_CS相比甚至可以忽略, 这表明在所研究的体系中电荷回传是不利的.     

金属镍掺杂改进纳米TiO2的表面增强拉曼散射性能

通过溶胶-水热法合成纯的和不同量Ni离子掺杂的TiO₂纳米粒子, 将其作为表面增强拉曼散射(SERS)活性基底, 研究了金属Ni掺杂对于纳米TiO₂ SERS性能的改进. 结果表明, 适量的Ni掺杂能够在纳米TiO₂的能隙中靠近导带底的位置形成丰富的掺杂能级, 促进TiO₂-to-molecule的电荷转移过程, 进而提高纳米TiO₂基底对吸附分子的SERS增强能力, 显著改进纳米TiO₂的SERS性能.     

二氧化钛多孔材料及其性能研究进展

二氧化钛(TiO₂)多孔材料由于具有优异的物理化学性质,在催化、能源、传感等领域展现了重要的研究价值和应用潜力。 TiO₂的多孔结构特别在一些涉及异相反应的应用(如异相催化、气敏等)中具有重要的优势,如丰富的传质通道和表面活性位点、可调变的孔尺寸等。 目前,多孔TiO₂功能材料的开发和优化研究正在不断推进其工业化应用的进程。 本文围绕多孔TiO₂的几个优势应用领域(光催化、光生电子存储和气敏)的研究进展,从结构和缺陷设计出发介绍和讨论性能调控策略。 本文还特别介绍了本课题组通过光诱导合成法开发的一系列多孔TiO₂基功能材料,并对相关性能研究领域的关键问题进行了分析和展望。     

一维TiO2锐钛矿/金红石异相结的制备及光催化降解甲醛性能

TiO₂异相结主要通过高温方法制备,所制备材料的形貌和组成较难控制,尤其是在较低温度下一步制备一维TiO₂异相结仍具有一定的挑战性。采用简单、方便的一步水热法,在较低温度下(180℃)制备了一维纳米TiO₂异相结材料。X射线衍射(XRD)和高分辨透射电镜(HRTEM)分析表明,制备的材料以一维金红石相TiO₂纳米棒(长度:(400±50)nm,直径:(60±5)nm)为基本结构,粒径分布均匀的锐钛矿相TiO₂纳米粒子(直径:(9.5±0.5)nm)高密度、单分散地负载在纳米棒上。通过控制水热反应时间成功调控了异相结中锐钛矿相TiO₂的含量(20%~50%),进而实现了其光催化降解HCHO性能的调控。实验结果表明,当锐钛矿相TiO₂的含量为33%时(TiO₂-24,水热时间24 h制备的样品),异相结光催化剂表现出最佳的HCHO降解性能:在低光强LED灯(波长为365 nm,光强为12.26 mW·cm^-2)照射下,浓度约为120 mg·L^-1的HCHO气体在25 min后的降解率达到了92%,实现了高效、快速地去除空气中的HCHO(矿化为CO₂)。稳态荧光光谱和光电化学测试表明,与其他水热时间的样品相比,TiO₂-24具有更高效的光生电荷分离和传输效率。一维TiO₂异相结不仅有利于光生电荷的传输,而且对电荷的分离具有定向驱动作用,使其具有较高的光催化降解HCHO性能。     

染料敏化太阳能电池中Eosin Y在TiO2(101)表面的吸附构型及其对电子注入过程影响的理论研究

基于密度泛函理论计算分析了2种Eosin Y-TiO₂(101)吸附构型下的几何结构、 电子结构及电荷转移性质. 结果表明, Eosin Y以H构型吸附在TiO₂(101)表面时的体系总能量比B构型的高59.7 kJ/mol; Eosin Y以B构型吸附在TiO₂(101)表面时比以H构型吸附时的吸附能更高. 因此, B吸附构型更易形成. 此外, 还对电子注入动力学进行了模拟并对界面间的电荷转移进行了Bader定量分析. 结果显示, 与吸附H构型相比, B构型下的电子注入过程更迅速也更完全.     

Effect of defects in TiO2 nanoplates with exposed {001} facets on the gas sensing properties

The gas-sensing properties and mechanism of anatase TiO₂ with complete and defective {001} facets were explored and compared, which provides a more direct evidence for the high sensitivity of TiO₂ with the complete {001} crystal facets.     

不同晶相TiO2负载Cu2O催化甲醛乙炔化反应

分别以金红石相和锐钛矿相TiO₂为载体, 采用液相还原-沉积法制备了Cu₂O/TiO₂催化剂. 采用氮气物理吸附-脱附(N₂-physisorption)实验、 氢气程序升温还原(H₂-TPR)、 X射线衍射(XRD)、 X射线光电子能谱(XPS)、 CO红外光谱(CO-IR)及高分辨透射电子显微镜(HRTEM)等技术, 研究了不同晶相TiO₂载体对Cu₂O/TiO₂结构及其催化甲醛乙炔化反应性能的影响. 结果表明, 以金红石相TiO₂为载体的催化剂炔化活性明显高于以锐钛矿相TiO₂为载体的催化剂, 原因在于金红石相TiO₂主要暴露(110)晶面, 其与铜物种的配位环境及较高的空位密度形成了更多的Cu—O—Ti结构物种, 表现为Cu₂O与TiO₂之间强的相互作用. 这导致Cu₂O高效转变为乙炔亚铜活性物种, 并保持了较高的分散度与稳定性, 抑制了过度还原物种金属Cu的生成, 进而使催化剂表现出较高的催化性能.     

多组分纳米纤维体系中载流子动力学的有效级联调制及其高效光催化产氢性能研究（英文）

利用半导体作为催化剂,将水光催化还原为H₂,为缓解全球能源危机以及环境污染问题提供了一种经济环保的途径。优化调控载流子动力学行为对提高半导体光催化分解水还原为绿色燃料-H₂的活性具有十分重要的意义。目前,基于半导体异质结效应或局域表面等离激元共振的敏化过程来设计和调控半导体基异质结构体系已成为调控载流子动力学行为的一种经典策略。然而,通过精细设计异质结构,合理耦合上述敏化过程,实现载流子动力学的级联调制,从而获得高效的光催化产H₂活性仍然任重道远。在本文中,我们通过原位氧化(g-C₃N₄的剥离和Ag₂S)和还原(Ag)反应,将等离激元Ag纳米颗粒(NPs)和两种不同的半导体Ag₂SNPs和g-C₃N₄纳米片(NSs)组装在电纺TiO₂纳米纤维(NFs)中,形成了一种新型四元异质组分纳米纤维(HNFs)体系。结合时间分辨光致发光光谱,3D时域有限差分模拟以及对照实验,我们...     

微波辅助溶剂热合成In-Si共改性TiO_2的增强光催化性能

利用微波辅助溶剂热法合成了In-Si共改性的TiO2光催化剂.粉末X射线衍射(XRD)、激光拉曼(Raman)光谱、N2吸脱附(BET)、X射线光电子能谱(XPS)、光致发光(PL)光谱和紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)等实验表明,尽管掺杂和改性后TiO2结晶度略有降低,但不影响光催化剂锐钛相的形成.Si掺杂入TiO2晶格使颗粒变小,比表面积变大.In不能进入TiO2晶格,在TiO2表面形成了In2O3.罗丹明B(RhB)降解实验显示,In-Si共改性TiO2表现出很高的紫外和可见光催化活性,Si:In:Ti的摩尔比为0.03:0.02:1的样品(IST-2)光催化活性最高,紫外光下3 min即可将RhB降解完全,可见光下120 min RhB降解率为97%,这是由材料的高表面积,In2O3-TiO2复合半导体之间高效电荷转移及染料敏化等共同作用所致.对于苯酚,光催化降解则相对缓慢,700 min内尚不能降解完全.     

Preparation of Sulfur-doped PANI/TiO2 Nanowires and Its Sensing Properties to Mercury

TiO₂ nanowires were successfully prepared via a simple hydrothermal method and a layer of sulfurized polyaniline(PANI) was loaded onto their surface to prepare a sensor of elemental mercury at room temperature. The sulfurized PANI/TiO₂ composite sensor has a high sensitivity to mercury in a range of density from 5.57 mg/m³ to 126.18 mg/m³ at room temperature. The response time and recovery time are relatively short. We also investigated the sensitivity and response time to other interfering gases, such as NO₂, SO₂ and NH₃. And the sulfurized PANI/TiO₂ composite material shows a good selectivity for element mercury. The microscopic structure of the sensor was investigated via X-ray diffraction(XRD), scanning electron microscopy(SEM) and energy dispersive X-ray analysis (EDAX). The sulfurized PANI/TiO₂ composite material shows a high sensitive response, and good selectivity to element mercury, which is promising for the application in the detection of element mercury.