黑色TiO2在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用

汪鑫

摘要：本文簡(jiǎn)要的介紹了黑色TiO2在燃料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用，從黑色TiO2的研究進(jìn)展、結(jié)構(gòu)性質(zhì)、光催化機(jī)理、優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用等方面展開了介紹。

關(guān)鍵詞：TiO2；光催化；納米

染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSC）是一種新型的薄膜太陽(yáng)能電池，以其簡(jiǎn)單的制作工藝、低廉的成本、較高的光電轉(zhuǎn)化率以及良好的應(yīng)用前景而備受關(guān)注。Pt是染料敏化太陽(yáng)能電池對(duì)電極中最常用的材料，而黑色二氧化鈦及其復(fù)合物在這方面的應(yīng)用還鮮有報(bào)導(dǎo)。具有較明朗的發(fā)展前景。

1.1 TiO2的研究進(jìn)展

近年來，納米TiO2因具有特殊的光、電方面的性質(zhì)，而成為材料科學(xué)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。目前各種形貌的納米TiO2材料已被合成出來，并用于染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極，如TiO2納米顆粒、納米薄膜、納米線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、核-殼結(jié)構(gòu)、空心球等，各種不同的研究發(fā)現(xiàn)有如下幾種[1]：

（1）與非金屬半導(dǎo)體復(fù)合：根據(jù)電極氧化還原法制備非金屬元素與TiO2雙向摻雜的復(fù)合體系，這種復(fù)合光催化劑可以在可見光范圍內(nèi)被激活。

（2）TiO2納米管：采用電化學(xué)方法在鈦基表面原位構(gòu)筑TiO2納米管陣列結(jié)構(gòu)，可用于氣體凈化和污水深度處理。

（3）TiO2包覆：將TiO2用作PVC的紫外屏蔽改性劑，從而制得PVC/納米TiO2復(fù)合薄膜，降低了PVC的老化程度。

最新發(fā)現(xiàn)的黑色二氧化鈦納米晶，不同于高溫氫氣還原的黑色氧化鈦，為一種核殼結(jié)構(gòu)，核區(qū)仍為結(jié)晶的二氧化鈦，外殼為無定型的結(jié)構(gòu)，其中無序的外殼是使白色二氧化鈦?zhàn)兂珊谏墓δ軈^(qū)域，無序的外殼包含氧空位或非金屬X摻雜（X=H、N、S、I）。該結(jié)構(gòu)可導(dǎo)致對(duì)太陽(yáng)光的吸收高達(dá)85%，遠(yuǎn)優(yōu)于文獻(xiàn)報(bào)道（30%）。

1.2 TiO2的結(jié)構(gòu)性質(zhì)

TiO2在自然界中以三種結(jié)構(gòu)存在：

金紅石型、銳鈦礦型和板鈦礦型，其中銳鈦礦型和金紅石型TiO2具有較高的催化活性，尤以銳鈦礦型光催化活性最佳。銳鈦礦型和金紅石型的晶型結(jié)構(gòu)均由相互連接的TiO2八面體組成，兩者的差別在于八面體的畸變程度和八面體間相互連接的方式不同，兩者的價(jià)帶位置相同，光生空穴具有相同的氧化能力；但銳鈦礦相導(dǎo)帶的電位更負(fù)，光生電子還原能力增強(qiáng)。八面體間相互連接方式包括共邊和共頂點(diǎn)兩種情況[2]。

銳鈦礦型TiO2為四方晶系，其中每個(gè)八面體與周圍8個(gè)八面體相連接（4個(gè)共邊，4個(gè)共頂角），4個(gè)TiO2分子組成一個(gè)晶胞。金紅石型TiO2也為四方晶系，晶格中心為Ti原子，八面體棱角上為6個(gè)氧原子，每個(gè)八面體與周圍10個(gè)八面體相聯(lián)（其中有兩個(gè)共邊，八個(gè)共頂角），兩個(gè)TiO2分子組成一個(gè)晶胞，其八面體畸變程度較銳鈦礦型要小，對(duì)稱性不如銳鈦礦型，其Ti-Ti鍵長(zhǎng)較銳鈦礦型小，而Ti-O鍵長(zhǎng)較銳鈦礦大。板鈦礦型TiO2為斜方晶系，6個(gè)TiO2分子組成一個(gè)晶胞。

三種相似金紅石相最穩(wěn)定，而銳鈦礦和板鈦礦在加熱處理過程中會(huì)發(fā)生不可逆的放熱反應(yīng)，最終將轉(zhuǎn)變?yōu)榻鸺t石相。

1.3 TiO2光催化劑的催化機(jī)理

半導(dǎo)體材料自身的光電特性決定了它可以作為催化劑。由于半導(dǎo)體粒子具有能帶結(jié)構(gòu)，一般由一個(gè)充滿電子的價(jià)帶（VB，低能量）和一個(gè)空的導(dǎo)帶（CB，高能量）構(gòu)成，它們之間為禁帶。當(dāng)半導(dǎo)體受到能量等于或大于禁帶寬度的光照射時(shí)，其價(jià)帶上的電子（e-）手激發(fā)，穿過禁帶進(jìn)入導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶上產(chǎn)生相應(yīng)的空穴（h+）。

由于半導(dǎo)體粒子的能帶間缺少連續(xù)區(qū)域，因而與金屬相比較，半導(dǎo)體的電子-空穴對(duì)的復(fù)合時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。半導(dǎo)體受光激發(fā)后產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)，在能量的作用分離并遷移到粒子表面的不同位置，與吸附在TiO2表面的物質(zhì)發(fā)生氧化和還原反應(yīng)[3]。TiO2產(chǎn)生的光生空穴的還原電位為3.0eV（與標(biāo)準(zhǔn)氫電極相比），極易與水和表面羥基發(fā)生反應(yīng)生成-OH自由基，其還原電位約為2.7eV。由于光生空穴和-OH自由基有很強(qiáng)的氧化能力，可奪取吸附在TiO2顆粒表面有機(jī)物的電子，從而使有機(jī)物得以氧化分解。光生電子具有強(qiáng)還原性，可與溶解在水中的氧發(fā)生反應(yīng)，生成O2-，O2-再與H+發(fā)生一系列反應(yīng)，最終生成-OH自由基。

1.4 TiO2光催化劑的優(yōu)點(diǎn)

（1） 水中所含多種有機(jī)污染物可被完全降解成CO2，H2O等，無機(jī)污染物被氧化或還原為無害物；

（2） 不需要另外的電子受體；

（3） 合適的光催化劑具有廉價(jià)無毒，穩(wěn)定及可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)；

（4） 可以利用太陽(yáng)能作為光源激活光催化劑；

（5） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作容易控制，氧化能力強(qiáng)，無二次污染；

（6） 較好的光電轉(zhuǎn)化效率。

1.5 納米TiO2在其他方面的應(yīng)用

（1）環(huán)境方面：無機(jī)污染物的光催化氧化還原；有機(jī)化合物的光催化降解

（2）衛(wèi)生保健方面：可以與生活用水的殺菌消毒；負(fù)載TiO2光催化劑的玻璃，陶瓷等是衛(wèi)生設(shè)施抗菌除臭的理想材料

（3）塑料：納米TiO2對(duì)塑料不僅起補(bǔ)強(qiáng)作用，而且可使料變得更致密，可使塑料薄膜的透明度、強(qiáng)度和韌性、防水性能大大提高。

參考文獻(xiàn)：

[1] 許澤輝，染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極材料TiO2的制備與改性[D].2009，09.

[2] 姜春華.染料敏化納米晶體TiO2太陽(yáng)能電池的對(duì)電極結(jié)構(gòu)[J].感光科學(xué)與光化學(xué)，2011，05：325-334.

[3] 李國(guó)，染料敏化太陽(yáng)能電池對(duì)電機(jī)的發(fā)展，材料導(dǎo)報(bào)， 2007，21（12）.endprint