叶绿素敏化二氧化钛纳米管电极光电性能及其增强机理

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1、叶绿素敏化二氧化钛纳米管电极光电性能及其增强机理华北电力大学为丫研宄叶绿素的敏化机理，本文以菠菜叶片叶绿素的乙醇浸提液敏化纳米管Ti02电极，在Na2S04水溶液电解液中测定其光电性能。敏化电极的光电流响应曲线显示，叶绿素浸提液敏化纳米管no2电极时会显著改变电极的光电流值，而敏化Ti电极时则产生光电流极小。电极的循环伏安曲线则表明，叶绿素浸提液使电极上的氧化反应更容易发生。测定不同浓度的叶绿素浸提液敏化纳米管TiO2电极的单色光光电转化效率(IPCE)图谱，结果表明，合适的叶绿素浓度(7.12371.2

2、3ug/L)使电极IPCE平均增加2倍以上，但浓度增大至7123ug/L时，其敏化电极1PCE则明显降低；同时发现叶绿素的敏化作用未明显改变TiO2电极IPCE图谱的特征谱峰位置。根据实验数据和结果，得出在水溶液中叶绿素改变纳米管TiO2光电性能的机理，主要是通过叶绿素分子与TiO2电极中的光生空穴发生反应，进而减少光生电子与空穴的复合，使电极有效光生电子数量增加，光电流密度增大，最终提高Ti02电极的1PCE。关键词：TiO2电极;叶绿素;单色光光电转化效率;敏化效率;在光合作用中，光能首先被光反应系统

3、中的色素分子捕获吸收，随后将其传递给光反应中心并在此处发生光电化学反应，光能即被转化为化学能［3-5］。在此过程中负责捕获太阳光的色素分子具有极高的光吸收性能［4-5］，同时还会将捕获的光能快速高效地传递给光反应中心。目前对捕光天线复合体向反应中心的能量传递过程，研宂人员开展了大量有价值的研宄，并初步建立包括Frster共振能传递理论、激子传递理论等理论［6-7］。正是基于色素分子的上述特性，太阳能电池的开发人员将其用于电池光阳极的敏化剂，以提高电池性能。虽相对于人工合成染料（如金属钌配合物染料、卟啉类染

4、料等）敏化的太阳能电池效率明显偏低，但天然色素具有环保、经济和很人的效率提升空间等特点，因此有越來越多的相关研究正相继展开［8-10］。同时太阳能电池中染料敏化机理的研宄主耍集中在1/h有机电解液屮人工合成染料敏化过程，一般认为染料受光子激发产生电子注入Ti02中，失去电子的染料分子再从I得到电子而还原［11-14］。对于天然色素染料叶绿素在水溶液电解液中的敏化机理鲜有研宄报道。木文将菠菜叶片色素乙醇浸提液敏化纳米管Ti02电极，利用中性盐水溶液系统作为电解液，通过其光电性能变化情况来分析植物色素溶液对T

5、i02电极的敏化机理，这对提高叶绿素敏化太阳能电池的光电转化效率将提供有价值的参考。1实验部分1.1试剂和仪器新鲜菠菜叶片（购自保定地区）：无水乙醇、乙二醇、風F、Na2SO5（均为分析纯试剂，天津市华东试剂厂）；纯钛片（纯度99.5%，厚度0.2mm，宝鸡长丰钛业）。213型铂片电极（上海越磁电子科技有限公司）：DH1720A-5型直流稳压稳流电源（北京大华无线电仪器厂）：CT-XE-450型氙灯（北京颐光新源科技有限公司）；CT110型•单色仪（北京颐光新源科技冇限公司）；2273型恒电位仪（美国PA

6、RSTAT公司）；T6型紫外-可见分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司）o取新鲜菠菜叶片清洗、破碎，继而低温脱水并研磨成粉末，经无水乙醇萃取，取上清液即为菠菜叶片叶绿素的乙醇浸提液，具体方法同文献［15］。采用紫外-可见分光光度计测定色素浸提液的UV-Vis吸收光谱。1.3敏化电极的制备采用阳极氧化法以钛片为原料制备Ti02纳米管阵列［16］。以钛片为阳极，铂片电极作为阴极，XH4F质量分数为0.125%的乙二醇溶液（该体系含体积分数2%的H2O）作为氧化电解液，使用直流稳压稳流电源在两电极间逐步升压

7、（0.1V/s）至60V后，恒压阳极氧化至1h。阳极氧化完成后将被氧化钛片放入马弗炉屮45（TC恒温处理1h，即得到Ti-Ti02纳米管阵列复合材料（辅助材料图S1所示）。取该复合材料剪裁并焊接导线后即为Ti02电极。将该Ti-Ti02复合材料的纳米管阵列一侧浸于上述叶绿素浸提液中，室温下浸泡24h后取出；自然晾干。敏化后的Ti-Ti02复合材料经过剪裁处理，并与导线连接制成敏化Ti02电极。金属纯钛（Ti）片与导线连接制成电极，将其浸于叶绿素浸提液中，按照上述敏化过程制得敏化金属Ti电极，作为参照。1.

8、4测定电极敏化前后光电性能以金属Pt片为对电极,0.1mol/LNa2SO4水溶液为电解液,与敏化电极（光阳极）组装成电池系统;采用光电连用测试系统，测定敏化电极的光电流响应、循环伏安曲线、电流电压（j-v）曲线及单色光光电流等光电性能IM。2结果与讨论2.1叶绿素浸提液的光吸收图谱和浓度使用无水乙醇作为提取剂可保证叶绿素被充分提取，同时也可使叶片屮的蛋白成分（尤其是光合蛋白及色素降解酶）失去活性，以避免这些组份干扰实验结果。