负载于碳纳米管的二氧化钛光催化吡咯聚合及光电转换薄膜的制备研究

论文摘要

随着全球对能源需求的日益增加,石油、煤炭、天然气等传统能源已经不能满足人类发展的需要,对再生能源的有效利用成为亟待解决的问题。在各种可再生的能源中,太阳能是取之不尽的能源。因此,高效价廉、能大面积制造的光伏电池的研发具有重要的战略意义。目前,几乎所有商品化的太阳能电池都由硅或无机化合物半导体制成,然而其成本高、毒性强、不易柔性加工且资源有限等缺点限制了其推广。而导电聚合物同时具有无机半导体的光电特性和金属的导电性,并且柔韧易加工、生产成本低、可以大面积制备。因而聚合物光伏电池是目前世界研究的热点。目前功能聚合物／半导体纳米复合材料型光伏电池是重要的发展方向之一。由于低迁移率和低吸光率,以及给体材料和受体材料界面性质不够理想等原因,目前聚合物光伏电池的性能仍然无法与传统硅系电池及无机化合物电池相比。因此进一步提高聚合物的导电率,改善聚合物的成膜技术,优化器件的制作工艺是制备高效光伏电池急待解决的问题。半导体光催化聚合是一种新型的聚合方法,它由半导体纳米粒子在光激发的条件下直接引发合成聚合物,原位合成纳米复合材料。纳米粒子由于直接参与了聚合反应而与聚合物之间存在较强相互作用,界面性质得到改善。这就克服了普通复合材料中纳米粒子与聚合物只是物理接触、界面性质差的缺点,使得该材料制备的光电器件中光生电子和空穴能够有效分离,从而提高器件的光电转换性能。导电高分子聚吡咯不仅空气稳定性好,且导电率高,是优良的空穴传输材料。半导体Ti02不仅具有良好的化学稳定性,同时具有优异的光催化活性及电子传输性能。本课题采用溶胶-凝胶法在低温下制备了碳纳米管负载的锐钛矿晶型Ti02半导体纳米晶水溶胶,并以之在紫外光照下催化吡咯聚合,制备了聚吡咯/TiO2/CNT三元复合材料,将之制备为光电转换薄膜并研究了其光电性能和电荷转移。本课题的研究内容和结果如下：采用改良的溶胶-凝胶法在低温（100℃）下制备了碳纳米管负载的TiO：半导体纳米晶水溶胶。XRD测试结果表明,Ti02粒子为锐钛矿晶型。Raman光谱表明Ti02与CNT之间有较强相互作用,使CNT的拉曼光谱特征峰出现了蓝移以及峰强度变化。1、通过光催化聚合存CNT-TiO2复合物表面原位聚合吡咯,制备了CNT-TiO2-PPy纳米复合材料。紫外-可见吸收光谱表明 CNT的引入扩展了复合材料在可见光区的吸收,说明复合材料能够更好地利用太阳能2、通过稳态和瞬态荧光光谱分析,证实了Ti02与CNT界面之间以及Ti02与PPy界面之间的光诱导电荷转移过程。XPS与ESR的结果进一步证实了该电荷转移过程。3、采用旋转涂膜法将水溶胶成膜,再通过光催化聚合制备了CNT-TiO2-PPy复合薄膜,并将之组装成薄膜电极,研究讨论了电极的光电性能的影响因素。CNT的引入在复合材料中形成交联的电荷传输通道,使得聚吡咯光激发产生的光生电子能够通过CNT进行快速传导,减少了光生电子和光生空穴的复合,有利于光电流的产生。光电性能测试结果表明,引入CNT能够大幅度提高复合薄膜的光电流。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 碳纳米管载体材料
• 1.1.1 碳纳米管作催化剂载体
• 1.1.1.1 碳纳米管负载纳米金属催化剂
• 1.1.1.2 碳纳米管负载纳米金属氧化物催化剂
• 1.1.1.3 碳纳米管负载合金催化剂
• 1.1.1.4 碳纳米管负载非晶态合金催化剂
• 1.1.2 碳纳米管作生物医药载体
• 1.2 纳米二氧化钛的表面改性和光催化聚合
• 1.2.2 二氧化钛的表面改性
• 1.2.2.1 过渡金属掺杂
• 1.2.2.2 贵金属表面沉积
• 1.2.2.3 半导体复合
• 1.2.2.4 强酸修饰
• 1.2.2.5 表面敏化法
• 1.2.2.6 其他方法
• 1.2.3 二氧化钛与碳纳米管复合改性的应用及研究现状
• 1.2.4 纳米半导体光催化聚合
• 1.2.4.1 纳米半导体光催化聚合的基本原理
• 1.2.4.2 纳米半导体光催化聚合的研究现状
• 1.3 导电高分子聚吡咯与聚合物光伏电池
• 1.3.1 导电高分子聚吡咯
• 1.3.2 聚吡咯的特性
• 1.3.2.1 导电性
• 1.3.2.2 电化学活性
• 1.3.2.3 生物相容性
• 1.3.3 聚吡咯的制备方法
• 1.3.3.1 化学氧化法
• 1.3.3.2 电化学法
• 1.3.3.3 其它方法
• 1.3.4 聚合物光伏电池
• 1.3.4.1 聚合物光伏电池的基本结构
• 1.3.4.2 聚合物太阳能电池的基本原理
• 1.3.4.3 聚合物太阳能电池的性能参数
• 1.3.5 导电高分子聚吡咯在聚合物光伏电池中的应用及研究现状
• 1.4 课题的提出和研究内容
• 参考文献
• 2-PPy复合材料'>第二章 碳纳米管负载锐钛矿晶型二氧化钛纳米晶光催化聚合制备CNT-TiO₂-PPy复合材料
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 锐钛矿晶型纳米二氧化钛粒子的制备
• 2.2.2.1 前驱体PTA溶液的制备
• 2水溶胶的制备'>2.2.2.2 碳纳米负载锐钛矿晶型纳米TiO₂水溶胶的制备
• 2-PPy复合材料'>2.2.3 光催化聚合制备CNT-TiO₂-PPy复合材料
• 2.2.4 分析测试
• 2.3 结果与讨论
• 2的基本性质'>2.3.1 碳纳米管负载纳米TiO₂的基本性质
• 2的晶型分析'>2.3.1.1 碳纳米管负载纳米TiO₂的晶型分析
• 2的拉曼光谱'>2.3.1.2 碳纳米管负载纳米TiO₂的拉曼光谱
• 2复合物的紫外-可见吸收光谱'>2.3.1.3 碳纳米管负载纳米TiO₂复合物的紫外-可见吸收光谱
• 2-PPy复合材料的形貌与结构分析'>2.3.2 CNT-TiO₂-PPy复合材料的形貌与结构分析
• 2-PPy纳米复合材料的红外（FTIR）光谱'>2.3.2.1 CNT-TiO₂-PPy纳米复合材料的红外（FTIR）光谱
• 2-PPy纳米复合材料的拉曼光谱'>2.3.2.2 CNT-TiO₂-PPy纳米复合材料的拉曼光谱
• 2-PPy纳米复合材料的紫外-可见吸收光谱'>2.3.2.3 CNT-TiO₂-PPy纳米复合材料的紫外-可见吸收光谱
• 2-PPy纳米复合材料的热失重分析'>2.3.2.4 CNT-TiO₂-PPy纳米复合材料的热失重分析
• 2.3.3 衰减全反射红外光谱（ATR-FTIR）
• 2.3.3.2 吡咯单体和吡咯水溶液的ATR-FTIR
• 2薄膜上时紫外光照条件下的ATR-FTIR'>2.3.3.3 吡咯单体吸附在TiO₂薄膜上时紫外光照条件下的ATR-FTIR
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 2-PPy纳米复合材料的光电转换性能及界面电荷转移研究'>第三章 CNT-TiO₂-PPy纳米复合材料的光电转换性能及界面电荷转移研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 光电转换器件的制备
• 3.2.2.1 导电玻璃FTO的清洗
• 2薄膜的制备'>3.2.2.2 致密TiO₂薄膜的制备
• 2薄膜的制备'>3.2.2.3 CNT-TiO₂薄膜的制备
• 2-PPy复合薄膜'>3.2.2.4 光催化聚合制备CNT-TiO₂-PPy复合薄膜
• 2-PPy薄膜电极的组装'>3.2.2.5 CNT-TiO₂-PPy薄膜电极的组装
• 2-PPy光伏电池的组装'>3.2.2.6 CNT-TiO₂-PPy光伏电池的组装
• 3.2.3 分析测试
• 3.3 结果与讨论
• 2-PPy复合薄膜的表面形貌'>3.3.1 CNT-TiO₂-PPy复合薄膜的表面形貌
• 2-PPy复合薄膜的瞬态光电流工作谱'>3.3.2 CNT-TiO₂-PPy复合薄膜的瞬态光电流工作谱
• 3.3.2.1 溶胶回流时间对薄膜电极光电转换性能的影响
• 3.3.2.2 碳管含量对薄膜电极光电转换性能的影响
• 3.3.2.3 聚合时间对薄膜电极光电转换性能的影响
• 2-PPy复合材料的界面电荷转移'>3.3.3 CNT-TiO₂-PPy复合材料的界面电荷转移
• 2-CNT界面电荷转移一一荧光光谱分析'>3.3.3.1 TiO₂-CNT界面电荷转移一一荧光光谱分析
• 2-PPy界面电荷转移一一荧光光谱分析'>3.3.3.2 TiO₂-PPy界面电荷转移一一荧光光谱分析
• 2-PPy复合材料的XPS分析'>3.3.4 CNT-TiO₂-PPy复合材料的XPS分析
• 2-CNT-PPy复合材料的ESR分析'>3.3.5 TiO₂-CNT-PPy复合材料的ESR分析
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 作者简介
• 致谢