TiO2-钛酸盐纳米棒阵列异质结光阳极的原位合成与性能研究

染料或量子点敏化光电化学太阳能电池因其低廉的成本、简单的制作工艺以及较高的转换效率等特点使其成为下一代太阳能电池的有力竞争者，其对于改善能源危机和环境保护等问题具有重要的科学意义和使用价值。发展高效、稳定的光阳极材料是新型光电化学太阳能电池的核心技术之一。与传统的TiO2纳米颗粒光阳极相比，采用一维单晶纳米棒结构的TiO2-钛酸盐阵列异质结有着很多的优势，如高效的载流子传输效率、高的开路电压以及良好的光化学稳定性等，因而有着更广阔的应用前景。本项目主要采用低廉的化学方法合成具有优异光电化学性能的TiO2-钛酸盐纳米棒阵列异质结，研究其光电化学性能并探索其在光电化学太阳能电池中的应用，揭示纳米阵列异质结的生长机制以及光生载流子传输过程，以制备具高效、稳定的光阳极。该项目的实施，将为指导设计合成新型光电化学太阳能电池提供实验基础和器件原型，有着十分重要的学术意义。

本项目主要围绕单晶二氧化钛纳米结构及其异质结在光电化学领域开展了系统的工作。在项目期间，着重完成了以下几个方面的工作：1. TiO2单晶纳米棒自组装空心球光催化剂：利用水热方法，在没有基底情况下，改变钛酸四丁酯的浓度以及酸度得到具有金红石相的纳米棒空心球，实心球以及其他结构，实现形貌的调控，光催化测试表明具有最高比表面积的纳米棒组装而成的空心球光催化性能最好。同时，我们也获得在不同基底，如碳布、FTO透明导电玻璃上的TiO2纳米棒纳米棒阵列。在柔性碳布上得到的纳米棒阵列可转移至导电玻璃上制作染料敏化太阳能电池，展现出优异的光电性质，同时其也具有优越的光催化特性。2. 开展了基于TiO2异质结的光电化学性质的相关研究，分别采用水热法或溶胶-凝胶法，制备了一系列TiO2异质结，如TiO2-SrTiO3、TiO2-碳纳米管和TiO2-氮化硼等材料，所制备的异质结具有显著的光电化学性质提高。3.从节约能源和环境污染角度考虑，我们从TiO2纳米结构的合成与光电性质研究扩展到其他纳米材料的研究， 如三维花状Ni（OH)2纳米结构的晶相调控及其在污水处理方面的应用，三维结构具有大的比表面积和微米结构，能有效的吸附污水中的污染物，并且有利于污水处理的分离过程。另外，我们合成了具有大表面积的BN多孔纤维，这种多孔纤维对于水中金属离子、有机污染物和有害气体具有相当优秀的吸附能力。