异型二氧化钛纳米管阵列的原位合成及光伏特性研究

常规二氧化钛纳米管内壁为光滑直通道，其比表面积只与纳米管的几何尺寸有关，若将纳米管的管壁设计成弯曲形状或孔洞结构，可进一步提高纳米管的比表面积和吸附特性，以期提高其在染料敏化太阳能电池领域的活性。然而目前将氧化钛纳米管管壁设计成弯曲多孔形状的二氧化钛纳米管阵列还鲜见报道。本研究拟采用阳极氧化法结合脉冲技术原位合成异型氧化钛纳米管阵列，通过调整脉冲波形、氧化温度和电压等参数对氧化钛纳米管阵列的几何尺寸、管壁结构进行控制，以期制备具有弯曲管道结构的纳米管阵列；通过钛合金的阳极氧化制备氧化钛复合纳米管阵列，选择性地将合金元素氧化物去除，以期获得多孔管壁结构的氧化钛纳米管阵列；理论计算结合实验对比研究传统与异型氧化钛纳米管阵列的比表面积、吸附特性以及光伏特性。最终探明制备工艺、材料微观结构与性能之间的内在联系，为太阳能电池用光阳极提供性能优越、制备工艺简单、可循环利用的异型二氧化钛纳米管阵列薄膜。

采用阳极氧化法制备二氧化钛纳米管阵列，由于具有制备方法简单可控、所得纳米管的结构可控且环境友好等优点，近年来引起科研界尤其是太阳能电池领域广泛地关注。但由于常规二氧化钛纳米管内壁为光滑直通道，其比表面积只与纳米管的几何尺寸有关，不利于有机染料的负载，若通过一定的技术手段对二氧化钛纳米管的光滑管壁进行修饰改性，纳米管阵列负载有机染料的能力将得到大幅度提高，以此为光阳极组装的太阳能电池的光电转化能力将得到进一步提升。此外，由于二氧化钛纳米管阵列具有定向分布、粗糙因子大等特点，可以提高纳米器件的结构稳定性。.基于以上思考，本项目采用阳极氧化技术制备了二氧化钛纳米管阵列薄膜，并掌握了二氧化钛纳米管阵列结构控制的方法，系统研究了二氧化钛纳米管阵列的生长机制，发现外加电压是影响二氧化钛纳米管结构的主要因素，且纳米管的管径随着外加电压的升高而增加，并利用数值模拟的方法获得了二氧化钛纳米管管径随电压增加的线性关系式；此外，研究结果还表明纳米管的生长速率也随着外加电压的升高二增快。通过控制合适的工艺条件可以获得数百微米长的二氧化钛纳米管，采用脉冲控制技术与阳极氧化方法的手段成功获得了二氧化钛纳米管阵列的多层膜，为光学器件和生物选择性反应提供了材料支持。利用溶剂热的方法降低了二氧化钛纳米管阵列的结晶温度，仅在160 oC下就可获得锐钛矿型的二氧化钛。利用磁控溅射与阳极氧化相结合的方法，在导电玻璃上获得了长度为10微米以上的透明二氧化钛纳米管阵列薄膜，以此为光阳极组装的染料敏化太阳能电池的光电转化效率为4.5%以上。采用水热或液相沉积的方法成功在二氧化钛纳米管内沉积了二氧化钛纳米棒，将二氧化钛纳米管阵列作为光阳极组装的染料敏化太阳能电池的光电转化能力提高了70%以上。特别需要指出的是，我们通过在钛（钽）种植体表面组装一层二氧化钛（五氧化二钽）纳米管阵列薄膜，可以大幅度提高种植体的生物相容性；而通过在金属基体钛与贵金属铂纳米颗粒之间组装一层二氧化钛纳米管阵列薄膜，可以将铂钛电极的寿命提高近60倍，电催化性能提高近3倍，表现出了广泛地应用前景。此外，我们利用液相沉积与多孔氧化铝模板相结合的手段，在金属铝及其合金上获得了二氧化钛纳米管及其与二氧化硅相复合的纳米管阵列，所得薄膜表现出了良好的吸附污染物与降解有机污染的能力，为环境治理提供了良好的材料支持。