光電化學(xué)與多孔薄關(guān)系畢業(yè)論文.doc

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、交流阻抗譜圖以及計(jì)時(shí)電流曲線進(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10108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1TiO2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25TiO2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)間曲線交流阻抗譜圖以及計(jì)時(shí)電流曲線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80mm20mm0.15mm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15mm15mm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78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910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(Solar500)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、計(jì)時(shí)電流時(shí)間曲線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)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表示單位表面積上的電容值從而可計(jì)算出研究電極的表面積S真再手工測(cè)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(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10mHz10kHz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JEOLJSM6700F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910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、計(jì)時(shí)電流時(shí)間曲線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10108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10108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)間曲線表3為通過(guò)對(duì)計(jì)時(shí)電流時(shí)間曲線積分計(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10108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10108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910并結(jié)合2.1的分析結(jié)果制備了一組孔密度為10108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、計(jì)時(shí)電流時(shí)間曲線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10108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10108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)間曲線表6為通過(guò)對(duì)計(jì)時(shí)電流時(shí)間曲線積分計(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10108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10108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、交流阻抗譜圖以及計(jì)時(shí)電流時(shí)間曲線進(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10108個(gè)/cm2;而當(dāng)孔密度大小在10108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10108個(gè)/cm2 參考文獻(xiàn) 1