《異型二氧化鈦納米管陣列的原位合成及光伏特性研究》是依託北京工業大學，由李洪義擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：異型二氧化鈦納米管陣列的原位合成及光伏特性研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：李洪義
- 依託單位：北京工業大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
常規二氧化鈦納米管內壁為光滑直通道，其比表面積只與納米管的幾何尺寸有關，若將納米管的管壁設計成彎曲形狀或孔洞結構，可進一步提高納米管的比表面積和吸附特性，以期提高其在染料敏化太陽能電池領域的活性。然而目前將氧化鈦納米管管壁設計成彎曲多孔形狀的二氧化鈦納米管陣列還鮮見報導。本研究擬採用陽極氧化法結合脈衝技術原位合成異型氧化鈦納米管陣列，通過調整脈衝波形、氧化溫度和電壓等參數對氧化鈦納米管陣列的幾何尺寸、管壁結構進行控制，以期製備具有彎曲管道結構的納米管陣列；通過鈦合金的陽極氧化製備氧化鈦複合納米管陣列，選擇性地將合金元素氧化物去除，以期獲得多孔管壁結構的氧化鈦納米管陣列；理論計算結合實驗對比研究傳統與異型氧化鈦納米管陣列的比表面積、吸附特性以及光伏特性。最終探明製備工藝、材料微觀結構與性能之間的內在聯繫，為太陽能電池用光陽極提供性能優越、製備工藝簡單、可循環利用的異型二氧化鈦納米管陣列薄膜。
結題摘要
採用陽極氧化法製備二氧化鈦納米管陣列，由於具有製備方法簡單可控、所得納米管的結構可控且環境友好等優點，近年來引起科研界尤其是太陽能電池領域廣泛地關注。但由於常規二氧化鈦納米管內壁為光滑直通道，其比表面積只與納米管的幾何尺寸有關，不利於有機染料的負載，若通過一定的技術手段對二氧化鈦納米管的光滑管壁進行修飾改性，納米管陣列負載有機染料的能力將得到大幅度提高，以此為光陽極組裝的太陽能電池的光電轉化能力將得到進一步提升。此外，由於二氧化鈦納米管陣列具有定向分布、粗糙因子大等特點，可以提高納米器件的結構穩定性。 基於以上思考，本項目採用陽極氧化技術製備了二氧化鈦納米管陣列薄膜，並掌握了二氧化鈦納米管陣列結構控制的方法，系統研究了二氧化鈦納米管陣列的生長機制，發現外加電壓是影響二氧化鈦納米管結構的主要因素，且納米管的管徑隨著外加電壓的升高而增加，並利用數值模擬的方法獲得了二氧化鈦納米管管徑隨電壓增加的線性關係式；此外，研究結果還表明納米管的生長速率也隨著外加電壓的升高二增快。通過控制合適的工藝條件可以獲得數百微米長的二氧化鈦納米管，採用脈衝控制技術與陽極氧化方法的手段成功獲得了二氧化鈦納米管陣列的多層膜，為光學器件和生物選擇性反應提供了材料支持。利用溶劑熱的方法降低了二氧化鈦納米管陣列的結晶溫度，僅在160 oC下就可獲得銳鈦礦型的二氧化鈦。利用磁控濺射與陽極氧化相結合的方法，在導電玻璃上獲得了長度為10微米以上的透明二氧化鈦納米管陣列薄膜，以此為光陽極組裝的染料敏化太陽能電池的光電轉化效率為4.5%以上。採用水熱或液相沉積的方法成功在二氧化鈦納米管內沉積了二氧化鈦納米棒，將二氧化鈦納米管陣列作為光陽極組裝的染料敏化太陽能電池的光電轉化能力提高了70%以上。特別需要指出的是，我們通過在鈦（鉭）種植體表面組裝一層二氧化鈦（五氧化二鉭）納米管陣列薄膜，可以大幅度提高種植體的生物相容性；而通過在金屬基體鈦與貴金屬鉑納米顆粒之間組裝一層二氧化鈦納米管陣列薄膜，可以將鉑鈦電極的壽命提高近60倍，電催化性能提高近3倍，表現出了廣泛地套用前景。此外，我們利用液相沉積與多孔氧化鋁模板相結合的手段，在金屬鋁及其合金上獲得了二氧化鈦納米管及其與二氧化矽相複合的納米管陣列，所得薄膜表現出了良好的吸附污染物與降解有機污染的能力，為環境治理提供了良好的材料支持。
