阳极氧化制备tio_纳米管阵列电极反应及阻抗研究_田西林

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1、阳极氧化制备TiO_2纳米管阵列电极反应及阻抗研究_田西林第39卷第6期稀有金属材料与工程Vol.39,No.62010年6月RAREMETALMATERIALSANDENGINEERINGJune2010阳极氧化制备TiO2纳米管阵列电极反应及阻抗研究田西林，陶杰，陶海军，包祖国，汤育欣，李转利，张焱焱(南京航空航天大学，江苏南京210016)摘要：为使TiO2纳米管阵列电极更好地应用于太阳能电池中，采取恒压阳极氧化法在质量分数0.5%NH4F/甘油电解采用XRD、SEM、电子順磁波普仪(EPR)、交流阻抗法(EIS)和循环伏安法(CV)液中在钛基体上制备

2、出TiO2纳米管阵列。研究TiO2纳米管阵列电极的电子传输性能及界面性质，确定各电极反应过程对应的阻抗曲线，计算得出电极的电子传输动力学参数。研究表明，TiO2纳米管阵列电极表面发生三价钛化合物转化成四价钛氧化物的氧化反应，电极电阻明显降低，加速了电极-电解液界面电子扩散速度，有利于TiO2电极表面自由羟基的产生。关键词：阳极氧化；TiO2纳米阵列；循环伏安；交流阻抗中图法分类号：O614.41+1文献标识码：A文章编号：1002-185X(2010)06-1066-05————————————————————————————————————————————

3、———染料敏化太阳能电池(DSC)是一种新型光化学太阳能电池，相比于传统太阳能电池具有成本低、制作工艺简单和环保等特点，受到人们的广泛关注[1-5]。纳米TiO2电极在DSC中起着关键作用，相比于单晶材料有更大的比表面积和更高的染料分子覆盖率，所以率[6-8]。在众多的纳米TiO2电极制备方法中，阳极氧且化法可以直接制备出高度有序的TiO2纳米管阵列，工艺简单、成本低。这种方法制备的有序TiO2纳米管阵列将成为电子迅速传输的重要通道，使得电子传导性能增强，可望提高TiO2的光电转换效率[9]。但电子在TiO2纳米管阵列内传输时，由于TiO2纳米管阵列表面化学

4、基团不同，同时受到渗入膜内电解质的屏蔽作用，其表面性能将对电子的传输有着重要的影响[10,11]吸附之间的关系打下基础，进而达到提高DSC电池性能的目的。1实验钛箔试样片的前处理为：表面封装→丙酮、无水清洗→冷风吹干后备用。化学抛光液组成为1:1:2的HF、HNO3和蒸馏水的混合溶液。纳米管阵列制备试验中选用恒压直流阳极氧化法，经前处理的钛箔试样片为阳极，Pt为阴极，两电极间距5cm，以0.5%的NH4F/甘油为电解液，试样阳极氧化时间为20h，电压为直流20V，整个阳极氧化过程在室温(25℃左右)下进行，且伴随磁力搅拌。将阳极氧化后的试样室温下冲洗、冷风吹

5、干后放于马弗炉中，以3/min℃升温至450℃后保温3h，最后随炉冷却至室温，取出备用。———————————————————————————————————————————————根据Bisquert[12]、Kern[13]、Motonari[14]、刘永辉[15]的结果，以下假设近似成立：(1)电子在TiO2半导体层中通过扩散传输；(2)电子与半导体层和电解液发生复合，但是两种反应可以拟合为速率常数一定的复合反应；(3)复合反应是一级反应,反应速率与电子浓度成正比。由连续性方程可得：该半导体电极有很大的光吸收系数和光电转换效乙醇超声清洗→蒸馏水清洗晾干

6、→化学抛光→蒸馏水。同时电解质溶液渗透到TiO2纳米管阵列中，TiO2纳米管阵列与电解质的界面是影响电子传输和电子-电解质的复合的重要因素。本实验通过对TiO2纳米管阵列的表面性能和电子在管内传输方式的研究，为提高DSC的性能开辟新的途径。本实验利用阳极氧化法在钛箔上制备TiO2纳米管阵列，得到高度有序TiO2纳米管阵列电极。利用电子順磁波普仪(EPR)、交流阻抗法(EIS)和循环伏安法(CV)分析电极反应和电极反应过程中的阻抗变化，计算电极的电子传输动力学参数，从微观的层面上进一步了解TiO2纳米管阵列表面自由羟基的形成过程机制，为下一步研究TiO2纳米管

7、阵列形貌和结构与染料?n?J(1)=??X?t式中，n为TiO2导带电子数密度，t为反应时间，J为电子通量；X———————————————————————————————————————————————为电子的扩散距离。由扩散Fick定律可得：收稿日期：2009-06-02基金项目：江苏省自然科学基金(BK2004129)；航空基金(04H52059)资助作者简介：田西林,男,1982年生,硕士生,南京航空航天大学材料科学与技术学院,江苏南京210016；通讯作者：陶杰,教授,博导,电话：025-52112900,E-mail:taojie@nuaa.ed

8、u.cn第6期田西林等：阳极氧化制备TiO2纳米管阵