二氧化钛ppt课件

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1.2 国内外研究现状
Grätzel
2001年，首次提出了TiO2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。目前
最高光电转换效率11.04%。
成功利用管长为300nm、管径为10nm 的
Adachi
TiO2纳米管制备出染料敏化太阳能电池， 其光电转换效率为4.88%。
并不能很好地提高TiO2的量子效率。而一些研究 发现，适当的稀土金属掺杂可以引入缺陷或改变能
带结构，扩展TiO2的光响应范围，减少电子和空 穴的复合，从而有效地提高TiO2的量子效率。 因此，本课题选用稀土元素Gd和非金属N作为掺
杂基质，将其应用于制备有序阵列TiO2纳米管薄 膜。
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目前制备有序阵列TiO2纳米管的方法有：阳极氧化法、模板 合成法、水热合成法等。
N/Gd共掺杂TiO2溶胶的制备： 将一定质量分数的硝酸钆和一定配比的氨水溶液，加入上面 B溶液中，重复上面过程就得到掺杂样品。
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3.3 电泳沉积法制备有序阵列纯TiO2及N/Gd共掺杂TiO2纳米管薄膜
将铂钛网作为阳极，与以有效面积为 2.6cm×7.5cm且经后处理的多孔氧化铝 模板为阴极，分别插入盛有纯TiO2和 N/Gd共掺杂的TiO2溶胶的电解池中，施 加2～5V直流电压，通电时间1～3min后， 将PAA模板带电取出，在潮湿的空气中 干燥后于管式炉中N2气氛300～700℃煅 烧30min。将经过煅烧的模板表面用 1500号砂纸打磨后，置于60℃的H3PO4 （6wt%）和H2CrO4（1.8wt%）混合液中， 使氧化铝模板部分溶解，从而暴露出在 氧化铝孔道中生成的N-Gd-TiO2/Al纳米 管阵列体系，然后小心地放在静止的去 离子水中反复浸泡，在空气中晾干。
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3.2 纯TiO2溶胶及N/Gd共掺杂TiO2溶胶的配制
纯TiO2溶胶的制备： 溶液A：将10ml钛酸四丁酯，50ml无水乙醇，混合均匀，室 温下磁力搅拌20min 溶液B：将无水乙醇10ml，去离子水3ml，冰醋酸3ml，混合 均匀，磁力搅拌10min 将A溶液逐滴缓慢加入B溶液中，在室温下搅拌30min。陈化 至透明胶体形成。
而模板法中最常用的模板主要是含有孔洞无序分布的高分子 模板和有序孔洞阵列氧化铝模板（PAA）。而多孔氧化铝模 板由于具有耐高温，绝缘性好，孔径孔深大小可控和稳定的 化学惰性等特点，已经成为纳米材料制备的研究热点。
目前的研究如下：
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溶胶-凝胶结合电泳沉积技术具有两大优点 ：
（1）工艺上容易通过改变电参数、电解液成分 等条件控制材料的成分、结晶组织和晶粒大小； （2）所需的设备简单、操作方便、沉积工艺容 易控制。
那么如何解决呢？
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因此，目前为了提高TiO2对太阳光的利用率，研究者采 用各种手段对其改性：
过渡金属离子掺杂
稀土离子金属离子参杂
表面螯合衍生物
Text
非金属掺杂
半导体复合
贵金属修饰
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研究发现：非金属元素特别是氮元素的阴离子掺杂
是可以使TiO2在不降低紫外光范围内光活性基础 上实现可见光响应的较好方法。但是，非金属掺杂
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2. 研究内容
掺杂溶胶和 PAA模板的 制备
电泳沉积 工艺
阵列纳米管 薄膜表征
（1）选用稀土元 素Gd和非金属元 素N为共掺杂基质， 研究N/Gd共掺杂 产生的协同效应 及与TiO2基质的 相互作用。 （2）考察不同电 解液浓度，氧化 电压，氧化时间 等工艺条件对 PAA模板结构的 影响。
考察不同电泳 条件，如电泳 电压、电泳时 间、胶体浓度、 煅烧时间等， 得到最佳工艺 条件，探讨其 与材料性能测 试的关系。
❖ 作为利用太阳能的重要手段，太阳能电池具有 十分广泛的应用前景。当前市场上的太阳能电 池产品主要有晶体硅和非晶硅两种，但两者均 存在某些不尽人意之处，前者制备工艺复杂， 成本高， 后者的寿命短，效率低。
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1.1 研究背景
❖自1991年，Michal Gratzel研制出以过渡金属Ru 的配合物为染料的纳米晶体TiO2太阳能电池， 目前其最高光电转换效率在AM1.5条件下已达到 11.04%。因其价格低廉、制作简单、效率较高 等优点引起了广泛关注。
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N/Gd共掺杂TiO2纳米管阵列太阳能电池薄 膜材料及电池光电性能研究
.wk.baidu.com
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研究背景及现状
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研究内容
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研究方案
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可行性分析及创新点
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1.1 研究背景
❖ 随着现代科技的发展、人口的增加，整个世界 面临着能源危机和环境污染两大问题。而太阳 能是一种无污染并且取之不尽的能源，具有独 特的优势和巨大的开发利用潜力，充分利用太 阳能有利于保持人和自然的和谐发展。
（2）大的比表面积。
这样以便尽可能吸附多的染料，从而提高染料敏
化TiO2太阳能电池。
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有序阵列TiO2 纳米管薄膜作为电极材料
高度有 序性
比表面 积大
吸附能 力强
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利于光生 载流子的 迁移
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但有序阵列的TiO2纳米管薄膜作为染料敏化太阳 能电池的关键材料，也存在缺陷： （1）光吸收波长范围狭窄（λ<387 nm)，吸收波 长大都在紫外区，利用太阳光比例低(仅占3％～ 4%）； （2）是光生电子与空穴的复合率高，量子效率很 低。
通过XRD、 TEM 、SEM、 BET和XPS等 对材料进行 表征，研究
其微观结构。
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电池光电 性能测试
探究N/Gd共 掺杂TiO2纳 米管薄膜的 微观结构和 工艺条件与 电池性能的 量化关系。
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3. 研究方案
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3.1 PAA模板的制备
预处理 过程
阳极 氧化 过程
首先将做好记号的 铝箔在石英管中N2 气氛保护下， 500℃退火30min； 其次用丙酮和水超 声去脂；然后在高 氯酸、乙醇和水( 体积比=2:2:1)的混 合溶液中电化学抛 光。
Gopal
用TiO2纳米管制备出的染料敏化太阳能电 池，在光照条件下产生的光电密度为 7.87mA/cm2，其光电转化效率为2.9%。
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但是：对于染料敏化TiO2太 阳能电池面临两大技术突破
用于电池的电 极材料
电池的光电转 化效率和稳定 性
那么，如何解决这两大难题呢？
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研究表明，应用于染料敏化TiO2太阳能电池的高 效TiO2膜应尽可能满足两个条件: （1）具有高的空隙率；
（1）一次阳极氧化 （2）将氧化的铝片 在 H3PO4（6wt%） 和H2CrO4（1.8wt%） 混合液(除膜液)中， 在30℃下浸泡10h或 者在60℃下浸泡6h （3）采用与一次阳 极氧化相同的条件进 行二次阳极氧化。
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后处理 过程
二次阳极氧化之 后的后处理过程 主要包括：去除 铝层、去除阻挡 层及扩孔。