染料敏化太阳电池自驱动强化光催化降解污染物体系研究

Precise control over universal semiconductor TiO2 in aspects of its inherent energy-level microstructure and/or photo-generated charge transfer and separation is a crucial scientific technique for expanded photo-response range (narrow bandgap), boosted photogenerated electrons utilization efficiency and photocatalytic activity. This project aims at constructing a new system for photoelectrocatalytic degradation of pollutants, that is, exerting an external bias self-powered by dye-sensitized solar cell (DSC) on core-shell structured TiO2 film electrode composed of crystalline TiO2 nanoparticles covered by a thin photoresponsive organic wrapping layer. As a consequence, multi-objectives including efficient utilization of solar energy, effective separation of photo-generated carriers and repeated use of film material will be simultaneously achieved. By means of optimizing film preparation procedures, the size, morphology and porosity of particles as well as the thickness, evenness and adhesion property of thin films will be controllably obtained. Especially, the most suitable surrounding environment for high-efficiency photoelectrocatalytic degradation of pollutants will also be obtained by adjusting open-circuit voltage of DSC. Based on a variety of tunable microstructure characterizations and test techniques, we will explore that the effect of the structure, property and performance of films on photoexcitation process and electron transfer process. Besides, we will also clarify the synergistic reaction mechanism of intensified photoelectric coupling degradation of pollutants. This project will provide a new viable material system for clean high-efficiency decomposition of nondegradable pollutants in waste water.

精细调控通用型半导体TiO2的本征能级微结构和光生电荷的迁移与分离是拓展其光谱响应范围、提高光生电子利用率和光催化效率的重要技术手段。本项目拟构筑一种全新的光电催化降解污染物体系，即通过染料敏化太阳电池（DSC）自驱动提供外加偏压作用于宽光谱响应 (即窄带隙能)、"结晶核-无序壳层"结构的TiO2薄膜电极，以期同步实现太阳光高效利用、光生载流子有效分离和催化剂重复利用的目的。通过优配成膜条件控制薄膜粒子的形成大小和形貌、孔隙率以及薄膜厚度、平整度和粘接能力。特别是通过调控DSC的开路电压获得高效光电催化降解污染物的最适宜外场环境。采用多种微观结构和性能表征与测试技术，探究薄膜材料结构、特性、功能对光激发过程和电子转移历程的影响规律，揭示光电耦合强化降解污染物的协同反应机制，为清洁、高效处理水环境难降解污染物提供切实可行的新材料体系和新方法。

本项目以构筑全新的光电催化降解污染物体系为目的，设计制备出宽光谱响应的、核壳结构的TiO2薄膜电极以及有稳定输出偏压的染料敏化太阳电池（DSC）器件。基此，构建高效的DSC自驱动强化光催化降解污染物体系。具体研究结果有：.1.宽光谱响应光催化纳米薄膜：采用溶胶凝胶燃烧法、溶剂热法等制备出无机-有机核壳C@TiO2、Au修饰的无机-有机核壳C@TiO2、以及其它复合结构包括ZnO:I/TiO2、Au修饰的ZnO NSs聚集体、CoTiO3/g-C3N4、Au NRs/Bi4Ti3O12等多种薄膜电极。采用各种显微表征技术和光谱测试手段，探究了TiO2薄膜微结构包括核壳晶粒的形貌、结晶相组成及能级分布、Au NPs表面等离子效应、无机/有机异质结界面特性等的变化规律与调控机制。结果表明，i)超薄无序壳层均匀包覆了TiO2纳米粒子外，构建了有效的C-TiO2异质结界面，增强了可见光光吸收，有助于光生载流子分离和输运；ii)等离子体Au纳米颗粒的修饰，增强薄膜的可见光区光吸收，同时作为电子接收体，减小了电子-空穴对复合的几率；iii)通过非金属修饰、表面包覆及异质结界面的构筑，有效改善电荷传输，抑制了复合光催化剂的电子空穴复合，增强了可见光响应能力。.2.高效稳定DSC器件：制备高性能多维度光电功能薄膜，优化光活性层的界面和电池制备工艺，构建多种高效稳定DSC器件。光电性能测试表明，维度调控、界面修饰、电池结构及工艺的优化有助于提高DSC的光电转换效率和稳定性，最终小面积电池转换效率可达到10.71%，大面积电池可稳定提供开路电压7V，电流1.5A。.3.DSC自驱动光电降解污染物体系：将高效DSC器件与各种光催化薄膜电极联用，光照下，DSC提供电压驱动光电极产生的光生电子-空穴对分离，促使电子移动至对电极参与还原反应，而具有强氧化能力的空穴在阳极参与氧化反应，强化光催化降解污染物过程。结果表明，光电催化体系对多种污染物如罗丹明B、酸性橙II和1-萘酚等的降解性能均明显优于单一的电催化和光催化体系。. 本项目研究成果目前已发表SCI论文13篇。申请专利4项，授权2项。参加国际会议4次，国内会议4次。培养博士生8名，（毕业4名），硕士生15名（毕业9名）。