黑色二氧化鈦制備與太陽(yáng)能利用的新進(jìn)展
來源：上海硅酸鹽研究所 | 0評(píng)論 | 9351查看 | 2014-05-19 08:57:00
二氧化鈦?zhàn)鳛橹匾男履茉春铜h(huán)境保護(hù)材料，在光催化、太陽(yáng)能發(fā)電、太陽(yáng)能集熱等方面被廣泛應(yīng)用。然而，二氧化鈦的太陽(yáng)能利用面臨巨大的挑戰(zhàn)，主要原因在于光吸收范圍窄、電子-空穴對(duì)的分離效率低。二氧化鈦只能吸收太陽(yáng)光譜中~5%的紫外光，而無法利用可見光和近紅外光的能量；本征電導(dǎo)率只有~10-10 S/cm，不利于光生電子-空穴對(duì)的分離和傳輸。這些問題嚴(yán)重影響了二氧化鈦在能源與環(huán)境領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，無法充分利用太陽(yáng)能。
氫等離子體還原二氧化鈦、吸收光譜、PEC（AFM 2013）
低溫鋁還原法制備納米黑鈦及其熱力學(xué)分析（EES 2013）
黑色硫摻雜金紅石相二氧化鈦制備示意圖、吸收光譜和光電轉(zhuǎn)換（JACS 2013）
兩步法實(shí)現(xiàn)黑色二氧化鈦的非金屬摻雜（EES 2014）
最近，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所與北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院開展了合作研究，黃富強(qiáng)、汪宙、楊重寅、林天全等科研人員原創(chuàng)地發(fā)展出多種新型制備方法（氫等離子法、鋁還原法、二步非金屬摻雜法），大幅提高了太陽(yáng)光譜中可見光和近紅外光的吸收，效果明顯。這些最新發(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%）。
良好的太陽(yáng)能寬譜吸收、化學(xué)物理穩(wěn)定性，以及改善的載流子濃度和電子遷移性能，可以滿足高效太陽(yáng)能的要求。其中，氮摻雜的納米黑色二氧化鈦，太陽(yáng)光催化分解水，產(chǎn)氫率達(dá)到15 mmol h-1 g-1，處于報(bào)道最優(yōu)異的可見光催化劑之列；對(duì)有機(jī)污染物的降解速率是商用納米二氧化鈦（P25）的四倍。黑色二氧化鈦納米管陣列用作光化學(xué)電池（PEC）電極，光能向氫化學(xué)能轉(zhuǎn)換效率達(dá)到1.67%，為二氧化鈦基PEC轉(zhuǎn)換效率的最優(yōu)值。
研究成果被Chemistry Views以Titania: Black is the New White 為題做了新聞專題報(bào)道，被認(rèn)為在新能源（太陽(yáng)能發(fā)電、光催化制氫）和環(huán)境（污染物降解、抗菌消毒）領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。國(guó)際公司與大學(xué)已經(jīng)購(gòu)買小批量樣品，用于環(huán)境保護(hù)應(yīng)用。部分研究結(jié)果發(fā)表在J. Am. Chem. Soc. (2013), Adv. Funct. Mater. (2013),Energy Environ. Sci. (2013, 2014), Chem. Euro. J. (2013)等期刊，已申請(qǐng)發(fā)明專利3項(xiàng)。
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