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静电纺丝-碱热法制备高活性由纳米片组装的TiO2纳米纤维（英文）

作者:陆亚超 欧小雨 王文广 范佳杰 吕康乐

关键词: TiO2纳米纤维 静电纺丝 光催化氧化 丙酮 染料敏化太阳能电池

摘要：半导体光催化有望解决日益严峻的环境污染与能源危机,因而得到广泛重视.纳米TiO2因为其强的氧化能力和良好的(光)化学稳定性与生物相容性,成为了最受欢迎的半导体光催化材料.到目前为止,材料科学家们制备了多种形貌的TiO2光催化材料,如纳米棒(线)、纳米片和空心微球等.作为染料太阳能电池的光阳极材料,小颗粒尺寸的纳米TiO2具有大的比表面积,有利于敏化剂的吸附,从而增强太阳能电池的光电转换性能.但是尺寸太小的TiO2颗粒不利于光散射,导致入射的太阳光直接穿透光阳极薄膜而不利于吸收和利用太阳光.为了解决敏化剂吸附和增强光散射这对矛盾,本文设计制备了由纳米片组装的TiO2纳米纤维:(1)首先通过静电纺丝法制备TiO2纳米纤维前躯体;(2)将TiO2纳米纤维前驱体在500°C焙烧,去除有机物,得到晶化度良好的由纳米颗粒组装的TiO2纳米纤维;(3)将TiO2纳米纤维进行NaOH碱热处理,使TiO2纳米颗粒转化成钛酸盐纳米片,然后经历酸洗和焙烧,得到由纳米片组装的TiO2纳米纤维.染料敏化太阳能电池的性能测试结果显示,碱热2.5 h所得TiO2样品的光阳极薄膜的光电转化效率提升了2.3倍;同时,利用丙酮光催化分解的活性来评价纳米纤维的光催化活性,发现碱热2.5 h所得纳米纤维上光催化降解丙酮的活性提升了3.1倍.结构表征结果显示,随着碱热时间的延长,从纤维表面生长出来的纳米片逐渐变长,催化剂的比表面积和孔容不断增加.大的比表面积有利于底物的吸附,纳米片结构有利于增强光散射,通过延长光程增强对光的利用效率,从而提升纳米纤维的光活性.光电流测试的结果显示,与碱热前的TiO2纳米纤维相比,碱热后的TiO2纳米纤维光电流显著增强,这是由于纳米片结构减小了扩散距离,有利于光生载流子快速转移到催化剂表面,引发丙酮的光催化氧化.


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