光電化學與多孔薄關系畢業論文 隨著社會的發展逐漸工業化環境的污染問題及可再生新能源的開發越來越得到各國的重視接下來是yjbys小編為大家精心收集的光電化學與多孔薄關系畢業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測試方法對制備出的TiO2納米多孔薄膜的開路電位時間曲線、交流阻抗譜圖以及計時電流曲線進行了測試研究了多孔薄膜材料的孔徑及孔密度對材料光電化學性能以及比表面積的影響結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反應電阻均明顯下降相關電化學反應更容易發生;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/cm2 關鍵詞:TiO2;納米多孔薄膜;陽極氧化;孔徑;孔密度 引言 隨著全球工業化進程的加速能源危機日益臨近環境污染問題及可再生新能源的開發越來越得到各國的重視環境保護和可持續發展已成為人類必須考慮的首要問題而太陽能是一種無污染并且取之不盡的可持續使用的能源為實現太陽能的高效利用研究效率高的光催化劑、光電化學電池以及太陽能電池等成為目前科學研究界的前沿領域1TiO2作為一種來源豐富、價格低廉、性能穩定、對環境友好并具有多種功能特性的半導體材料一直以來在化工、電子、能源及環保等領域有重要的應用價值25TiO2納米材料在眾多領域特別是作為高效催化劑和低成本染料敏化太陽能電池光陽極中廣泛應用成為各大領域的研究熱點6然而TiO2只能利用紫外光導致材料本身在太陽能利用方面效率偏低因此如何擴展TiO2的光譜響應范圍提高其光電性能一直以來被廣大學者所關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納米多孔薄膜通過測試TiO2納米多孔薄膜的開路電位時間曲線交流阻抗譜圖以及計時電流曲線研究了多孔薄膜材料的孔徑以及孔密度對材料光電化學性能以及比表面積的影響 1實驗部分 1.1TiO2納米多孔薄膜制備方法 首先對鈦片基體進行封裝和預處理去除試樣表面的氧化膜及油污層封裝及預處理步驟如下: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行封裝留出15mm15mm的待氧化區以及適當面積的導電連接區如圖1所示;2)用浸有丙酮的脫脂棉球擦拭鈦片待氧化區表面以去除封裝過程中表面殘留的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)以鈦基鍍鉑網為陽極封好的試片為陰極在電化學除油液中于10V電壓下對試片進行陰極電解除油15s蒸餾水沖洗干凈后備用采用硫酸溶液為電解液將預處理后的試片與電源正極相連接將作為對電極的鈦基鍍鉑網與電源負極相連接應用二步電壓施加方式進行陽極氧化制備TiO2納米多孔薄膜78為研究孔徑、孔密度對光電化學性質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電化學工作站在室溫下進行電化學測試以制備的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測試時將組裝好的三電極體系放置于光化學反應器內的升降臺上調整升降臺的高度以及三電極體系的位置使反應器中用于模擬太陽光的內置氙燈光源(Solar500)的光束能夠垂直照射到納米多孔薄膜表面測試裝置如圖2所示分別采用開路電位時間曲線、計時電流時間曲線以及交流阻抗譜圖的測試方法對試片的光電性能、比表面積等進行表征開路電位時間曲線的測試在光照與非光照兩種情況下交替進行總的測試時間t為400s光照與非光照的交替間隔t為100s計時電流時間曲線在非光照條件下測試根據穩定電位設置測量參數其中初始電位和高電位均設置為開路電位為10mV設定低電位選擇負向階躍半周期為25ms該方法測試比表面積的原理實質是采用恒電位階躍法測試電極表面積根據雙電層理論當電極浸入電解液時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)則流經研究電極的電流全部用于雙電層充電隨著時間推移充電電流逐漸減小并且呈現如圖3所示的變化規律圖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為響應電流對i在響應時間t內進行積分即可計算出充電電容Cd以汞電極雙層充電電容值為標準值記作CN表示單位表面積上的電容值從而可計算出研究電極的表面積S真再手工測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試在光照及非光照兩種條件下進行測試測試電位為開路電位電壓幅度為5mV頻率范圍為10mHz10kHz測試所得的交流阻抗譜圖采用ZSimpWin軟件進行模擬等效電路圖如圖4所示采用JEOLJSM6700F掃描電子顯微鏡測試氧化鈦薄膜的表面形貌在測試圖片上任選5個微孔測量孔徑并求出孔徑平均值作為孔徑數據;在測試圖片上數出單位標尺面積內的孔的個數通過圖片標尺數據進行換算求出每平方厘米內的孔的個數作為孔密度數據 2結果與討論 2.1孔密度對TiO2多孔薄膜光電特性的影響 為研究孔密度對于制備的TiO2納米多孔薄膜光電特性的影響根據之前的研究結果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路電位時間曲線、計時電流時間曲線以及交流阻抗圖譜對制備出的試片的光電化學性能進行了分析測試結果如圖5及表1所示圖5為不同孔密度的TiO2納米多孔薄膜開路電位時間曲線表1為相應的開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多孔薄膜表面產生光生電子及空穴對生成的光生電子及空穴緊接著發生分離并擴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生變化進而改變雙電層的結構雙電層結構的變化最終導致電極開路電位即穩定電位數值的改變因此通過測試電極在光照及非光照兩種情況下的開路電位計算出該電位數值的變化即來評價材料對于光的敏感性電極材料對光照越敏感開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的測試結果可以看出當孔徑為103nm孔密度為10108個/cm2時試片在光照和非光照時開路電壓的變化值最大即該孔徑及孔密度的TiO2多孔薄膜對光照最敏感具有最佳的光電化學特性圖6、圖7分別為無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為相應的交流阻抗譜圖的模擬數據由于阻抗譜圖中阻抗半圓直徑的大小對應著電化學反應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反應電阻越大即電化學反應進行越困難因此可以通過測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評價材料的光電化學性能從圖6、圖7及表2的測試及模擬結果可以看出所有試片在光照情況下的電化學反應電阻均較非光照條件下明顯下降即所有試片均對光照具有敏感性光照時相關電化學反應更容易發生且經過進一步對比發現孔徑為103nm孔密度為10108個/cm2的試片在光照及非光照下均具有最小的電化學反應電阻即該條件下的試片對光照最敏感具有最佳的光電化學特性此結論與開路電位時間曲線的分析相一致圖8為不同孔密度的TiO2納米多孔薄膜的計時電流時間曲線表3為通過對計時電流時間曲線積分計算所得的相應的比表面積數值通過表3的數據可以看出孔徑為103nm孔密度為10108個/cm2的試片的比表面積最大數值為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該條件下的試片的性能應最佳此結論與之前的開路電位時間曲線以及交流阻抗譜圖的分析結果相一致綜合以上分析可以看出當孔徑大小在103nm左右時光電性能最佳的TiO2納米多孔薄膜的孔密度為10108個/cm2 2.2孔徑對TiO2多孔薄膜光電特性的影響 為研究孔徑對制備的TiO2納米多孔薄膜光電特性的影響根據之前的研究910并結合2.1的分析結果制備了一組孔密度為10108個/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路電位時間曲線、計時電流時間曲線以及交流阻抗譜圖對制備出的試片材料的光電化學性能進行了分析圖9為不同孔徑的TiO2納米多孔薄膜開路電位時間曲線表4為相應的開路電位在光照和非光照下的變化值從圖9及表4可以看出當孔徑為103nm孔密度為10108個/cm2時試片在光照和非光照時開路電壓的變化值最大即該孔徑及孔密度的TiO2多孔薄膜對光照最敏感具有最佳的光電化學特性圖10、圖11分別為無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為相應的交流阻抗的模擬數據從圖10、圖11及表5可以看出所有試片在光照情況下的電化學反應電阻均較無光照條件下明顯下降即所有試片均對光照具有敏感性在光照情況下相關電化學反應更容易發生且經過進一步對比發現孔徑為103nm孔密度為10108個/cm2的試片在光照及非光照下均具有最小的電化學反應電阻即該條件下的試片對光照最敏感具有最佳的光電化學特性此結論與開路電位時間曲線的分析相一致圖12為不同孔徑的TiO2納米多孔薄膜的計時電流時間曲線表6為通過對計時電流時間曲線積分計算所得的相應的比表面積數值通過表6的數據可以看出孔徑為103nm孔密度為10108個/cm2的試片的比表面積最大數值為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該條件下的試片的性能最佳此結論與開路電位時間曲線以及交流阻抗譜圖的分析結果相一致綜上分析可以看出當孔密度在10108個/cm2左右時電性能最佳的TiO2納米多孔薄膜的孔徑為103nm 3結論 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測試方法對制備的TiO2納米多孔薄膜的開路電位時間曲線、交流阻抗譜圖以及計時電流時間曲線進行了測試研究了TiO2納米多孔薄膜結構包括多孔薄膜材料的孔密度和孔徑對于材料光電化學性能以及比表面積的影響結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反應電阻均明顯下降相關電化學反應更容易發生;增大薄膜材料的比表面積有利于提高其光電性能當孔徑大小在103nm左右時光電性能最佳的TiO2納米多孔薄膜的孔密度為10108個/cm2;而當孔密度大小在10108個/cm2左右時光電性能最佳的TiO2納米多孔薄膜的孔徑為103nm說明性能最佳的薄膜材料結構為孔徑103nm孔密度為10108個/cm2 參考文獻 1