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博士学位论文
改性 TiO2 纳米管阵列的制备及光电性能研究
PREPARATION OF MODIFIED TiO2 NANOTUBE
ARRAYS AND THEIR PHOTOELECTRICAL
PROPERTIES
刘蕊
哈尔滨工业大学
2012 年 12 月
国内图书分类号:TB34 学校代码:10213
国际图书分类号:620 密级:公开
工学博士学位论文
改性 TiO2 纳米管阵列的制备及光电性能研究
博士研究生:刘蕊
导师:强亮生教授
申请学位:工学博士
学科:化学工程与技术
所在单位:理学院
答辩日期:2012 年 12 月
授予学位单位:哈尔滨工业大学
Classified Index: TB34
: 620
Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering
PREPARATION OF MODIFIED TiO2 NANOTUBE
ARRAYS AND THEIR PHOTOELECTRICAL
PROPERTIES
Candidate: Liu Rui
Supervisor: Prof. Qiang Liangsheng
Academic Degree Applied for: Doctor of Engineering
Speciality: Chemical Engineering and
Technology
Affiliation: School of Science
Date of Defence: December, 2012
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘要
摘要
阳极氧化法制备的 TiO2 纳米管阵列因其具有高度整齐的一维排列结构、高
的电子传输速率和电子寿命,在染料敏化太阳能电池中展现出诱人的应用前景。
但又因结构易坍塌和染料吸附量低等问题,难以充分发挥一维 TiO2 纳米管阵列
的结构优势。本文针对阳极氧化法合成 TiO2 纳米管阵列的制备条件选择和改善
太阳能电池光电转化性能等问题进行了研究。选择不同的电解液体系,研究 TiO2
纳米管阵列的结构及其影响因素;采用表面处理、ZnO 及 Sm2O3 改性,使制得
的 TiO2 纳米管阵列获得了较高的光电转化效率。
在 H3PO4/NH4F 无机电解液体系中采用阳极氧化法制得了 TiO2 纳米管阵列,
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通过 FESEM 系统地考察了搅拌速率、煅烧温度、H3PO4 添加量、F 浓度、氧化
电压、氧化时间对纳米管阵列表面形貌、管径及管长的影响。结果发现,搅拌
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速率、H3PO4 与 F 浓度、氧化电压对形貌和孔径有较大的影响,氧化反应时间
对管长的影响较为显著。根据单因素影响条件,选择其中影响较为显著的三个
因素,采用 Box-Behnken Design 方法设计实验,通过软件模拟得到排列紧密的
TiO2 纳米管阵列的最佳制备条件为:氧化时间为 240 min,氧化电压为 V,
NH4F 的浓度为 mol/L,经由软件模拟得到 TiO2 纳米管阵列管内径为 33 nm,
管长为 。通过 XRD 和 UV-vis 表征手段分析了不同煅烧温度和煅烧时间
对 TiO2 纳米管阵列晶体结构和光电性质的影响,得到最佳的煅烧条件为 500 ℃
煅烧 2 h。并通过实时的电流监控探讨 TiO2 纳米管阵列的生长机理。
以乙二醇有机体系为电解液,采用阳极氧化法制得了 TiO2 纳米管阵列,分
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析了 F 浓度、水添加量、氧化电压及反应温度对 TiO2 纳米管阵列形貌、管径及
管长的影响,发现水添加量是能否形成 TiO2 纳米管阵列的关键因素,在 40 V
的氧化电压, wt%的 NH4F 浓度,2 vol%的水添加量及 25℃的反应温度下得
到的 TiO2 纳米管阵列的管径光滑,且高度有序的排列。同时以乙二醇制备的
TiO2 纳米管阵列为染料敏化太阳能电池的光阳极,采用四异丙氧基钛(TnB)和氧
电浆联合处理其表面,结果表明:TiO2 纳米管阵列结构仍然存在,在纳米管阵
列表面及侧壁出现了 TiO2