光電化學技術精選(九篇)

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第1篇：光電化學技術范文

關鍵詞：有機廢水處理 電化學 羥基自由基 電Fenton試劑 電解氧化 半導體光電催化

近年來，濃度高且結構穩定的有機廢水不斷出現，如何有效地去除這些難降解的有機廢水已經成為水處理的熱點問題。羥基自由基（·OH）因其有極高的氧化電位（2.8V），其氧化能力極強，與大多數有機污染物都可以發生快速的鏈式反應，無選擇性地把有害物質氧化成CO2、H2O或礦物鹽，無二次污染[1]。目前國內外有不少研究者進行利用·OH處理有機廢水的研究。產生·OH的途徑較多，主要有Fenton法[2]、氧化絮凝法[3]、臭氧法[4]、超聲降解法[5]和光催化法[6]。近年來應用電化學法產生·OH處理有機廢水獲得了較大的進展，在降解和脫色上卓有成效。下面就對電生·OH的途徑及其在有機廢水處理中應用的最新進展進行評述。

1.電Fenton法

工藝上將Fe2+和H2O2的組合稱為Fenton試劑。它能有效地氧化降解廢水中的有機污染物，其實質是H2O2在Fe2+的催化下產生具有高反應活性的·OH。目前，Fenton法主要是通過光輻射、催化劑、電化學作用產生·OH。利用光催化或光輻射法產生·OH，存在H2O2及太陽能利用效率低等問題。而電Fenton法是H2O2和Fe2+均通過電化學法持續地產生[7]，它比一般化學Fenton試劑具有H2O2利用率高、費用低及反應速度快等優點。因此，通過電Fenton法產生·OH將成為主要途徑之一。

應用電Fenton法產生·OH處理有機廢水多數是以平板鐵為陽極，多孔碳電極為陰極，在陰極通以氧氣或空氣。通電時，在陰陽兩極上進行相同電化當量的電化學反應，在相同的時間內分別生成相同物質的量的Fe2+和H2O2，從而使得隨后生成Fenton試劑的化學反應得以實現[8]。

溶液的pH值對氧陰極還原獲得H2O2的反應有很大的影響[9]。研究表明，溶液的pH值不僅對陰極反應電位和槽電壓有影響，還將決定著生成H2O2的電流效率，進而影響隨后生成·OH的效率及與有機污染物的降解脫色反應。

然而，電解氧化法工業化應用仍存在著一些問題，如電流效率仍然偏低、能耗大、電催化降解反應器的效率較低、電化學催化降解有機污染物的機理還需要進一步探討等[21]。加強對上述問題的研究，是該法今后發展的方向。

3. 半導體電催化法

由于某些半導體材料有良好的光化學特性和活潑的電化學行為，近年來，利用半導體材料制成電極在有機廢水中的研究應用已引起眾多研究者的重視[22]。

半導體催化材料在電場中有“空穴”效應[23]，即半導體處于一定強度的電場時，其價帶電子會越過禁帶進入導帶，同時在價帶上形成電激空穴，空穴有很強的俘獲電子的能力，可以奪取半導體顆粒表面的有機物或溶劑中的電子發生氧化還原反應。在水溶液發生的電催化氧化反應中，水分子在半導體表面失去電子生成強氧化性的·OH，同時半導體催化劑和電極產生的H2O2等活性氧化物質也起協同作用，因此，在電催化反應體系中存在多種產生強氧化因子的途徑，能有效地提高了催化降解的效率。在半導體電催化反應中，電壓和電流強度都要達到一定的值。一般來說，隨著外加電壓的升高，體系產生·OH的速率增大，有機物的去除效率提高[24]。但也有研究發現，當外加電壓達到一定值時，進一步升高電壓會抑制自由基的生成，降低了催化效率[25]。

半導體電催化法在有機廢水處理中的研究，主要以在摻雜半導體電極和納米半導體材料電極作為陽極產生·OH處理有機廢水。董海等[26]采用摻銻的SnO2粉制成的半導體電極，研究了含酚廢水的電催化降解反應，對酚的降解率達90%。

4. 半導體光電催化法

在紫外光等照射下，并外加電場的作用下TiO2半導體內也會存在“空穴”效應，這種光電組合產生·OH的方法又稱光電催化法。TiO2光電組合效應不但可以把導帶電子的還原過程同價帶空穴的氧化過程從空間位置上分開(與半導體微粒相比較)，明顯地減少了簡單復合，結果大大增加了半導體表面·OH的生成效率且防止了氧化中間產物在陰極上的再還原，而且導帶電子能被引到陰極還原水中的H+，因此不需要向系統內鼓入作為電子俘獲劑的O2[27]。

由于上述優勢，光電催化技術在有機廢水的研究工作得到了迅速發展，戴清等[28]利用TiO2薄膜電極作為工作電極，建立了電助光催化體系，以含氯苯酚(例如4-氯苯酚和2，4，6-三氯苯酚)廢水作為降解對象，進行光電催化研究。 Cheng 等[29]用三維電極光電催化降解處理亞甲基蘭廢水，研究表明，其脫色率和COD的去除率分別為95%和87%。Waldne等[30]用TiO2半導體光電催化法進行降解4-氯苯酚的研究，取得較好處理效果。

目前，光電化學反應的研究工作還大多局限于實驗室階段，應用納米TiO2半導體電極光電催化法處理大規模工業有機廢水的報道還不多，主要是由于TiO2半導體重復利用率不高和光電催化反應器光電催化效率降低。因此，把TiO2經過改性、修飾制備成高效且能重復使用的電極，如在TiO2材料表面上進行貴金屬沉積、摻雜金屬離子、復合半導體、表面光敏化劑等[31]，已成為以TiO2為半導體電極進行光電催化降解有機污染物研究的熱點。此外，這項技術的實用化必然涉及到反應器的結構和類型的確定，開發高效重復使用且費用較低的工業化光催化反應器，也將是納米TiO2工業化應用的關鍵。

5.展望

盡管國內外電化學法處理有機廢水技術已有了很大的發展，其中不少已達到工業化應用的水平，但電化學作為一門能在凈化環境中有所作為的學科，還在不斷發展中。電生·OH在有機廢水處理中有其獨特的特點，其應用的前景是很樂觀的。但仍存在一些問題需要解決：

（1）目前，電Fenton法的研究還不是很成熟，電流效率低，設計合理電解池的結構和尋找新型的電極材料將是今后研究的方向。

（2）通過電解氧化法產生·OH處理有機廢水處理，其降解效率受陽極材料和結構、電流密度、電解質及其傳質能力等多種因素的影響。目前電解槽的傳質問題影響電流效率的提高，如果要應用到實際生產中，還需提高產生·OH的電流效率，降低成本。因此，加強電解催化的機理的研究，研制開發各種高效電解催化反應器和高電化學活性及性能穩定的電極材料等，是今后急需解決的問題。

（3）用納米半導體光電催化氧化法是目前研究的熱點，如何獲得并提高半導體材料光電催化活性，開發高效、穩定能重復使用、價格低廉的半導體電極材料和工業光電催化反應器是今后在該領域研究的熱點，也是使納米TiO2應用于工業化的關鍵。

[6] 許宜銘，陳文星，朱志杰. 苯酚及氯代苯酚化合物TiO2催化光致降解[J]. 環境科學，1990，9(6):13-18.

[9] 陳震，陳曉，鄭曦，等. 溶液pH值及電流濃度對電化學生成羥基自由基的降解機制的影響[J].環境科學研究，2002，15(3):42-53.

[10] Hsiao Y ，Nobe K . Oxidative reactions of phenol and chlorobenzene with in situ electrogenerated fenton’s reagent[J]. Chem. Eng. Commom.，1993，126(1):97-110.

[11] 鄭曦，陳日耀，蘭瑞芳，等. 電生成Fenton試劑及其對染料降解脫色的研究[J].電化學，2003，9(1):98-103.

[12] 張乃東，彭永臻，李寧. 陽極氧化與 Fenton 法結合的可行性[J]. 中國環境科學，2004，24(1):68-71.

[13] Brillas E ，Calpe J C ，Casado J .Mineralization of 2，4-D by advanced electrochemical oxidation processes[J].Water Res，2000，34(8): 2256-2262.

[16] 宋衛峰，吳斌，馬前，等. 電解法降解有機污染物機理及動力學的研究[J].化工環保，2001，21(3):131-136.

[17] 何春，安太成，熊亞，等. 三維電極電化學反應器對有機廢水的降解研究[J].電化學，2002，8(3):327-332.

[18] 熊蓉春，賈成功，魏剛. 二維和三維電極法催化降解染料廢水[J].北京化工大學學報，2002，29(5):34-37.

[19] 崔艷萍，楊昌柱. 復極性三維電極處理含酚廢水的研究[J].能源環境保護，2004，18(1):23-26.

[21] 陳衛國，朱錫海.電催化產生H2O2和· OH機理及在有機物降解中的應用[J].水處理技術，1997，23(6):354-357.

[22] Dohrmann J K ，Chuan M ，Schaaf N S . Photocalorimetry at semiconductor electrodes:theory，technique and applications[J].Solar Energy Materials and Solar Cells，1996，43(3):273-296.

[23] 申哲民，王文華，賈金平，等. 電催化氧化中的三種催化材料處理酸性紅B染料的比較研究[J].環境污染治理技術與設備，2001，2(1):55-58.

[24] 陳衛國，朱錫海. 電催化產生H2O2和·OH及去除廢水中有機污染物的應用[J].中國環境科學，1998，18(2):148-150.

[25] Candal. Titanium-supported titania phtoelect-trodes made by sol-gel processes[J].J.Environ. Engin.，1990，10:906-912.

[26] 董海，鄭志堅，鄭成法，等. SnO2電極電催化降解廢水中酚[J].復旦學報，1998，37(3):287-290.

[27] 郝曉剛，李一兵，樊彩梅，等. TiO2光電催化水處理技術研究進展[J].化學通報，2003，5:306-311.

第2篇：光電化學技術范文

【關鍵詞】化學發光免疫；應用；發展

中圖分類號：C911文獻標識碼： A

一、前言

化學發光免疫分析方法靈敏度高、適用范圍廣泛受到了人們的認可，在醫學、食品、藥品等眾多領域廣泛使用。傳統的免疫分析需要的培育時間長，因此，提高分析的時間和效率是當前研究人員重點解決的問題。

二、化學發光免疫分析法

化學發光分析是根據化學反應產生的輻射光的強度來確定物質含量的分析方法。化學發光免疫分析是將化學發光系統與免疫反應相結合，用化學發光相關的物質標記抗體或抗原，與待測的抗原或抗體反應后，經過分離游離態的化學發光標記物，加入化學發光系統的其它相關物產生化學發光，進行抗原或抗體的定量或定性檢測。化學發光免疫分析中使用最多的4類標記物為魯米諾、異魯米諾及其衍生物，吖啶酯衍生物，過氧化物酶和堿性磷酸酶。

以酶為標記物的化學發光仍然是化學發光免疫分析的主流，辣根過氧化物酶(HRP)與堿性磷酸酶(ALP)是兩種常見的標記酶，均有其相應的化學發光底物，在臨床檢驗中有廣泛應用，開發催化活性更高、穩定性更好、發光動力學曲線更符合免疫分析的酶和底物是化學發光免疫分析的研究熱點之一。

三、PEC免疫分析的基本裝置

PEC分析需要在光電檢測系統中實現.該系統主要包括激發光源、吸收池以及三電極體系的電化學裝置.在光激發條件下,電解質溶液中光電活性材料的表面將發生電荷的分離與躍遷,電極表面發生一定的氧化還原反應從而在外電路產生電流,這一過程由電化學裝置所記錄并用于特定檢測對象的測定.

PEC免疫分析的基本原理是基于免疫反應前后光電流信號的變化。在一個簡單典型的PEC免疫系統中,免疫探針分子(通常是特異性的抗體或抗原)首先被固定在光電換能器(transducer)表面作為識別元件(recognitionelement),抗原(或抗體)作為待測物與探針分子在電極表面形成免疫復合物,導致光電流信號的增強或降低.本節將介紹PEC免疫傳感界面的基本構建過程,主要包括光電極的選擇與制備、免疫探針分子的固定等重要步驟。

1、電極材料的選擇與制備

PEC檢測的基本模式決定了其在免疫傳感中必須使用特定的光電活性電極.而免疫探針分子則在這種電極表面固定,隨后的免疫識別反應也在該表面發生,所以光電活性材料的選擇和制備與免疫傳感的檢測性能密切相關.理想的光電活性電極應該具有較低的電子空穴復合率,以便獲得穩定的光電流密度.一般而言,在PEC免疫傳感中,光電活性電極的選擇主要取決于所設計的檢測路徑與傳感過程.常用的電極有整體電極和氧化銦錫(ITO)修飾電極.整體電極如二氧化鈦納米管陣列電極(TiO2NTs),ITO修飾電極則由ITO基底和光電修飾材料兩部分構成.

2、免疫探針分子的固定

電極制備好后,免疫探針分子的固定是傳感器制備中重要的一步,直接決定著傳感器性能的優劣.原則上,電化學免疫傳感器中可以使用的固定方法都可以用于PEC傳感.但因后者使用的電極材料有所不同,所以具體采用的固定方法往往和電極材料的種類以及實驗的設計有關.另外,為了保證探針分子的準確定位與吸附以使探針分子在固定后保持較高的活性和穩定性并形成具有適宜厚度、密度、多孔性的敏感膜,同時為了避免非特異性吸附和結合的干擾,在固定這一步驟中需對電極的表面化學性質進行嚴格控制,因此需要對實驗條件進行多重優化以便確定最佳條件.具體來講,考慮到免疫探針生物分子具有不穩定性,其固定需要滿足以下兩個條件:

(1)固定過程條件溫和,防止生物分子變性,而且固定在電極表面后也能保持良好的活性;

(2)固定后,敏感層與電極表面接觸緊密,同時具有良好的穩定性和耐用性。

四、光電免疫檢測的分類與傳感機理

和其他的免疫分析方法一樣,PEC免疫分析也可以簡單地分為非標記型和標記型兩大類.結合不同的實驗設計,相應的傳感機理也有所區別.

1、非標記型光電免疫傳感器

非標記型光電免疫傳感器通過直接測定抗原抗體免疫復合物形成時的光電流信號的變化來確定待測物的濃度.在非標記型光電免疫傳感中,由于省去了對待測物的標記過程,且樣品前處理過程簡單,極大地簡化了制備和操作步驟,因此該類型的相關研究工作在免疫傳感器領域一直具有不可取代的優勢.但是,由于其檢測原理大多基于免疫復合物形成前后所產生的位阻效應變化,因此檢測信號的變化幅度往往非常有限,在檢測靈敏度方面尚有待提高.目前對非標記型光電免疫傳感器的研究工作主要側重在對新型光電基底的利用和目檢測物的多樣化.Cosnier的非標記型PEC免疫工作中,釕聯吡啶配合物上被衍生連接了吡咯和生物素,然后利用吡咯的電聚合作用實現了光電物質在電極表面的固定.然后通過生物素-親和素的連接作用,將標記有生物素的霍亂毒素固定到光電物質表面.當向溶液中加入待測的霍亂毒素抗體(anti-choleratoxinantibody)時,形成的免疫復合物在光電物質表面產生更強的位阻效應,阻礙電子受體向電極擴散,從而導致光電流降低.該方法很好地實現了霍亂毒素抗體的免疫測定,檢測限可以達到0.5μg/mL。

2、標記型光電免疫傳感器

非標記型免疫分析法雖然有著很好的簡易性,但是由于其負載量低以及無法實現信號放大,它在檢測靈敏度方面仍然需要改進.在此情況下,標記型免疫傳感分析應運而生.在不同的檢測系統中,可以通過標記引入信號分子或實現信號放大.具有催化活性的酶分子因為易于與抗體或抗原結合,且可在短時間內將大量底物分子轉化為具有電化學活性的產物,因此常被用做標記物.常用的標記酶有葡萄糖氧化酶(GOx)、辣根過氧化物酶(HRP)與堿性磷酸酶(ALP)。

最近,基于光電化學、酶聯免疫方法和生物催化沉積的協同作用,本課題組報道了用HRP標記的放大型PEC免疫分析方法.在CdSQDs修飾的ITO電極表面,通過免疫反應形成夾心結構Ab1-Ag-Ab2-HRP免疫復合物,然后利用BCP反應在電極表面形成不溶物覆蓋層.此外,因為HRP在410nm的實驗條件下有很強的光吸收性質,所以在該體系中HRP除了引發BCP反應,還能夠競爭性的吸收入射光,協同提高了檢測靈敏度.該工作以小鼠IgG為模型分子,實驗結果表明可以實現對待測物的高靈敏檢測.因為很多種酶都可以被引入該系統并且引發相關BCP反應,所以本工作為發展高靈敏性的PEC免疫分析方法提供了一種新思路.基于該工作結合納米金標記放大技術,我們進而實現了對前列腺腫瘤標記物(prostate-specificantigen)的高靈敏檢測。

五、發展與展望

化學發光免疫分析法具有選擇性好、靈敏度高、分析速度快、設備簡單等優點，近年來在環境、臨床、食品、藥物檢測中得到了廣泛運用。實際檢測常常需要對大量、復雜、低豐度的樣品進行測定，因而化學發光免疫分析法逐漸向快速、高通量、高靈敏檢測的方向發展。本文總結了近幾年化學發光免疫分析法的應用進展，涉及到降低溫育時間，多組分檢測，以及信號放大技術。這些例子都證明了化學發光免疫分析法具有廣泛的應用前景和可操作性。為了更好地適應臨床、環境等領域的實際應用，需要大力發展微型化、集成化和自動化的化學發光免疫分析儀器。隨著分子生物學及納米與傳感技術的進步，新的化學發光免疫分析原理與高靈敏的免疫分析方法將得到不斷發展，開發催化活性更高、穩定性更好、發光動力學曲線更符合免疫分析的酶和底物并推廣到臨床檢測，發展新型標記技術用于信號放大，建立化學發光免疫分析新方法，都將是未來的發展方向及研究重點。

六、結束語

隨著科技水平的發展和進步，化學光電免疫分析方法也將進一步完善，并發揮更大作用，推動相關行業的快速發展和進步。

參考文獻

[1]彭芳,榮,司士輝,等.光電化學型半導體生物傳感器.化學進展,2008,20:586593

第3篇：光電化學技術范文

【關鍵詞】 L半胱氨酸， 化學修飾電極， 羅紅霉素， 聯吡啶釕， 電致化學發光

1 引 言

羅紅霉素為第3代紅霉素衍生物(結構見圖1)，是紅霉素A的9位羰基以甲氧基乙氧基甲肟基取代的半合成紅霉素，屬大環內酯類的抗生素[1]。其抗菌活性及抗菌譜與紅霉素相似，但對酸穩定，血藥濃度高，因而具有用量小、口服吸收良好、作用時間長、穩定性好等優點。羅紅霉素直腸給藥可作為治療慢性細菌性和慢性非細菌性前列腺炎的主要藥物[2]。目前，對羅紅霉素的測定方法主要有高效液相色譜法[3]和流動注射化學發光法[4]。中國藥典(2000年版)測定其含量采用微生物檢定法，但該方法操作繁瑣， 檢驗周期長， 影響因素多、實驗誤差大[5]。文獻[6]報道了參考中國藥典羅紅霉素膠囊的溶出度檢測法。文獻[7]采用紫外分光光度法測定羅紅霉素的含量。但用同一溶劑時，羅紅霉素與其分解產物顯同一顏色，此法測定羅紅霉素的含量可能產生很大的誤差，故需要選擇適宜的溶劑。因此， 建立羅紅霉素分析新方法具有重要的意義。

電致化學發光(ECL)是通過電極上直接或間接發生的電化學反應而產生的一種化學發光。它是在化學發光和電化學基礎上發展起來的一種分析技術，不但保留了化學發光分析和電化學分析所固有的優點，同時還具有其化學發光反應易于控制、方法更靈敏、更具有選擇性、獲得更多的化學信息等優點[8，9]。ECL作為一種靈敏度高、選擇性好的分析方法，近年來引起人們的廣泛關注。目前已報道的ECL物質有聯吡啶釕類絡合物[10，11]、酰肼類藥物[12，13]及多環芳烴類物質[14]。其中作為發光試劑的聯吡啶釕[Ru(bpy)3]2+ 具有水溶性好、試劑穩定、氧化還原可逆、發光效率高、可電化學再生、可進行可逆單電子轉移反應及激發態壽命長等優點，在ECL光藥物分析應用研究中占有重要地位。

目前，關于用電化學發光法測定羅紅霉素的報道較少。本實驗研究了巰基化合物在金電極表面的自組裝及分析應用。通過巰基化合物能夠在金電極等金屬表面形成SM鍵，且伸向溶液的有機鏈會形成有序排列的單分子層結構，因此在結構與功能上自組裝膜具有類似生物膜的特性，且穩定性好，在界面化學和生命化學領域具有廣泛的應用前景。利用L半胱氨酸(LCys)與金電極的強相互作用，通過SAu鍵使LCys自組裝到金電極的表面，形成LCysAu/SAM/CME，此電極對羅紅霉素的氧化具有明顯的催化作用。據此，成功地建立了一種羅紅霉素的ECL檢測新方法。在選定的最佳條件下，聯吡啶釕與羅紅霉素體系的ECL強度與羅紅霉素濃度在1.0×10-7～1.0×10-4 mol/L范圍內呈良好的線性關系。本方法簡單、線性范圍寬、檢出限低，同時具有較高的選擇性，樣品處理簡單。本方法應用于羅紅霉素片劑的分析，結果滿意。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

MPIE型電致化學發光分析系統(西安瑞邁電子科技有限公司); DL60D型超聲波清洗器(上海之信儀器有限公司)， CH660B電化學工作站(上海辰華儀器有限公司); 電化學實驗采用三電極系統: LCysAu/SAM/CME電極為工作電極， Pt絲為對電極，Ag/AgCl為參比電極(飽和KCl溶液)。

1.00×10-4 mol/L羅紅霉素標準儲備液(用時現配)：準確稱取0.0084 g 羅紅霉素(中國藥品生物制品檢定所)，用20 mL無水乙醇溶解后，用水定容至100 mL棕色容量瓶中，再用超聲脫氣后冷藏于冰箱中備用; 1.00×10-3 mol/L聯吡啶釕(Aldrich公司)儲備液：準確稱取六水合三(2，2聯吡啶)氯化釕0.0374 g，用水溶解并定容于50 mL棕色容量瓶中，用超聲脫氣后放入冰箱中(4 ℃)保存。實驗用水均為二次石英亞沸蒸餾水。

2.2 LCysAu/SAM/CME的制備

將金電極首先用金相砂紙打磨，再依次用0.5和0.05 μm αA12O3粉在平板玻璃上拋光至鏡面，分別于無水乙醇和水中超聲洗滌5 min。然后將金電極浸人0.05 mol/L H2SO4 溶液10 min，在1.4～0.4 V范圍內進行CV掃描，直至得到穩定和重現的伏安圖。隨后，固定電位在0.25 V恒電位極化3 min，以徹底消除表面可能存在的金氧化物。再將金電極依次用水和無水乙醇沖洗干凈，以高純氮吹干立即浸入0.02 mmol/L LCys溶液中，在室溫下自組裝24 h，取出電極，用無水乙醇反復沖洗以除去物理吸附的硫醇，最后用水沖洗，即可制得LCysAu/SAM/CME。

2.3 實驗方法

實驗在MPIE型電致ECL工作站上進行。三電極系統; 支持電解質為0.1 mol/L 硼酸鹽緩沖液(pH 7.50)，將0.4 mmol/L Ru(bpy)2+3和0.2 mL 0.1 mol/L硼酸鹽緩沖液加入電解池，在0.2～1.30 V范圍內進行CV掃描，然后記錄發光信號作為空白。在上述溶液中加入一定濃度的羅紅霉素溶液0.1 mL， 采用相同的方法測定發光信號值。以相對化學發光強度(信號/空白)對羅紅霉素定量分析，繪制相對峰高強度與羅紅霉素濃度的校準曲線，同時對樣品進行分析測定。

a. 2.5 mmol/L Ru(bpy)2+3;b. a+0.1 mmol/L 羅紅霉素(Roxithromycin) 0.1 mol/L Na2B4O7。發光強度時間實驗曲線由MPIE型ECL工作站測定。用工作站檢測池下方的光電倍增管來收集待測樣品的ECL強度，光電倍增管負高壓為850 V。溶液測定前用超聲波除氣5 min，實驗在室溫下進行，所有電位值均相對于參比電極Ag/AgCl。

3 結果與討論

3.1 Ru(bpy)2+3和羅紅霉素的電化學行為

分別對80 μL Ru(bpy)2+3，80 μL硼酸鹽緩沖溶液(pH 7.5)，80 μL Ru(bpy)2+3+100 μL羅紅霉素標準液+80 μL硼酸鹽緩沖溶液(pH 7.5)進行CV掃描和正向線性電位掃描。實驗結果如圖2。圖2的a和b分別為聯吡啶釕體系和羅紅霉素與聯吡啶釕共存體系的CV曲線，從圖2可見，聯吡啶釕只有低的電極電流(曲線a)，而羅紅霉素加入后電極電流信號顯著增強(曲線b)，由此可知羅紅霉素對聯吡啶釕的電化學發光有顯著的增強作用。

3.2 羅紅霉素Ru(bpy)2+3體系電化學發光行為

考察了Ru(bpy)2+3在LCysAu/SAM/CME電極的ECL行為。聯吡啶釕在LCysAu/SAM/CME電極的發光強度比裸金電極明顯增大。在相同條件下，在Ru(bpy)2+3體系中加入羅紅霉素后，體系的發光強度增大約6倍。說明羅紅霉素對Ru(bpy)2+3的發光強度具有增敏作用。

3.3 緩沖溶液對ECL強度的影響

介質是影響電化學發光的主要因素。關于硼酸鹽緩沖溶液對電化學發光的影響已有報道[15]。本實驗分別考察了硼酸鹽和磷酸鹽緩沖溶液對電化學發光信號強度及穩定性的影響，如圖3所示。結果表明，以硼酸鹽緩沖體系為介質時，羅紅霉素增敏的聯吡啶釕電化學發光信號與聯吡啶釕的空白電化學發光信號的信噪比最大，且重現性較好，最佳濃度為0.1 mol/L。 圖3 緩沖溶液體系對ECL強度的影響

Fig.3 Effect of pH value of solution on ECL signal

a. 磷酸鹽緩沖溶液(PBS); b. 硼酸鹽緩沖溶液(Borate buffer); v：100 mV/s; 掃描范圍(Scan potential): 0.2～1.30 V; 0.1 mol/L Na2B4O7 .考察了pH值在6.5～9.0之間的硼酸鹽緩沖體系，得知在pH=6.5時發光較弱;隨著pH增大，發光強度逐漸增大，pH= 7.5時達到最大值。由于羅紅霉素帶有胺基，其氮原子上有一對孤電子，易與質子結合，因此在酸性溶液中會與H+反應形成正離子。pH繼續變大時發光強度有所降低，可能是由于溶液中過多的OH-參與在電極上的競爭反應造成高價態聯吡啶釕的減少。因此，緩沖體系的pH值太低或太高都不利于電極上Ru(bpy)3+3的產生。實驗中選擇Na2B4O7(pH=7.5)。

3.4 Ru(bpy)2+3濃度的選擇

考察了在0.1～1.0 mmol/L范圍內Ru(bpy)2+3濃度對發光強度的影響。結果表明，隨著Ru(bpy)2+3 濃度的增加，ECL強度增大，過大的濃度使噪音也同時增加，因此在保證最佳信噪比的前提下，選擇Ru(bpy)2+3濃度為0.4 mmol/L。

3.5 共存物質的影響

在實驗條件下，以測量誤差

3.6 方法的評價

在最佳條件下，通過ECL工作站記錄不同濃度羅紅霉素標準溶液在LCysAu/SAM/CME上的發光強度響應如圖4所示，以相對峰高對濃度進行線性回歸，羅紅霉素濃度在1.0×10-7～1.0×10-4 mol/L范圍內與其ECL呈線性關系，線性回歸方程為I=2×107C+384.02(r=0.9977)，方法的檢出限(S/N=3)為1.0×10-7 mol/L。對1.8×10-5mol/L羅紅霉素平行測定5次，其RSD為1.93%。結果表明，體系的重現性好。

3.7 樣品分析

稱取10片羅紅霉素，放入研缽中研磨粉碎混勻，再稱取相當于1片羅紅霉素量的樣品溶于無水乙醇，過濾后用水定容于100 mL棕色容量瓶中，稀釋后在最佳實驗條件下進行測定。對1.8×10-5 mol/L 羅紅霉素溶液平行測定5次，其RSD為1.93%，表明此體系的重現性很好。

在樣品中加入標準液進行回收率實驗，測得的回收率為95.5%～101.3%。結果表明，本方法可以用于羅紅霉素片劑的含量測定。

參考文獻

1 Wei Jin (魏 瑾)， Hou Ping (侯 平)， Li Zhai (李 寨)， Li JiaTai (李家泰). Chinese Journal of Antibiotics(中國抗生素雜志)， 1994， 19(4)： 299～302

2 Yu RongSen (俞榮森)， Zhou GuangJun (周光軍).China Pbarmacist(中國藥師)， 2000， 3(2)： 112

3 Wang XiaoBo (王曉波)， Wang JingGuo (王敬國)， Gong RongGang (龔榮剛).Journal of Pharmaceutical Practice(藥學實踐雜志)， 2002， 20(5)： 293～295

4 Fang YanJun (房彥軍)， Gao ZhiXian (高志賢)， Wang HongYong (王紅勇)， Zhang YanLi (張彥莉)， Ma JinCun (馬金寸).Acta Academiae Medicinae Militaris Tertiae(第三軍醫大學學報)， 2001， 23(7)： 63

5 Zhang HuiWen (張慧文)， Zhong Yi (鐘 藝).Academic Journal of Guangdong College of Pharmacy(廣東藥學院學報)， 1996， 12(3)： 172～174

6 Wang QiuHua (王秋華)， Xie Wei (謝 瑋)， Lu JinFang (陸進方). Chinese Journal of Pharmaceuticals(中國工業醫藥雜志)， 1998， 29(10)： 450～451

7 He LiMing (何麗明)， Zhang HuiWen (張慧文)， Zeng XiaoHui (曾曉暉). Academic Journal of Guangdong College of Pharmacy(廣東藥學院學報)， 2004， 20(5)： 475～477

8 Chen GuoNan(陳國南)， Lin ZhenYu(林振宇). World ScienceTechnolog， R&D(世界科技研究與發展)， 2004， 26(4)： 66

9 Chu HaiHong(儲海虹)， Qi YingYing(齊瑩瑩)， Xu Yang(徐 楊). Spectroscopy and Spectral Analysis(光譜學與光譜分析)， 2005， 25(5)： 675

10 Richter M M， Bard A J.Anal. Chem.， 1998， 70： 310～318

11 McCord P， Bald A J. J.Electroanal. Chem.， 1991， 318： 91～99

12 An JingRu(安境如)， Lin JianGuo(林建國). Chinese J. Anal. Chem.(分析化學)， 1992， 20(6)： 666～669

13 Yao Qing(姚 晴)， An JingRu(安境如). Chem. J. Chinese Universities(高等學校化學學報)， 1991， 12(4)： 469～470

第4篇：光電化學技術范文

關鍵詞：氧化鉍；微波法；循環伏安法

中圖分類號：TQ135 文獻標志碼：A

文章編號：0367-6358（2015）03-0154-04

氧化鉍在現代固體技術中是一種非常有趣的先進功能材料，是最重要的鉍化合物之一，它具有高折射率和介電常數，非線性光學和超快響應，以及明顯的光電導和光致發光。這些特性使得Bi2O3可用于多相催化劑，合適的候選傳感器，微電子，光學涂層，藍色激光記錄和制造玻璃等。另外，盡管已經有很多種合成氧化鉍的方法，但使用對環境無害的前驅體，且簡單和低成本的合成路線仍舊是一個挑戰。Bi2O3在固體電解質、傳感器、催化劑等領域具有重要的應用價值，所以研究堿性介質中Bi2O3的循環伏安性能對了解其作用機理有重要意義。事實證明，改善MnO2的可充性是開發二次堿性Zn/MnO2電池的關鍵。無論是通過物理方法還是化學方法，在MnO2材料中摻入Bi2O3，都可以較好地改善MnO2在堿性電解液中的循環性能。Vivier等用粉末微電極研究了Bi2O3在1mol/LKOH溶液中的電化學性質。然而，二次堿性Zn/MnO2電池中一般使用的是9mol/LKOH溶液作為電解液。因此，本文用鉑碳電極研究Bi2O3在9mol/LKOH溶液中的循環伏安行為。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

五水合硝酸鉍：化學純，北京化工廠；乙二醇：分析純，天津富宇精細化工有限公司。

UltimaⅢ型X-射線衍射儀，測試電壓40kV，電流20mA，掃描速度0.03°/s，連續掃描，范圍10°到80°，使用銅靶CuKα（λ=0.15418nm）；JEOLJSM-6701F型場發射掃描電鏡；吸附氣體時間設為2h，溫度為200℃；CHI660D型電化學工作站，測試條件：附有Bi2O3的微電極先浸入KOH溶液中平衡4h，然后再進行測量，使用三電極體系，電解質溶液為9mol/L的KOH溶液，鉑碳電極為工作電極，銀電極為參比電極，飽和甘汞電極為輔助電極，動電位掃描范圍均為一1.0～+0.5V。

1.2 Bi2O3及電極的制備

配制硝酸鉍的乙二醇溶液，向一定量乙二醇中緩慢加入稱量好的硝酸鉍固體，攪拌均勻，置于微波爐中加熱，設置好加熱溫度和時間，待冷卻后取出，靜置數小時后倒出上清液，將沉淀于烘箱中烘干得產品，然后用羧甲基纖維素鈉將Bi2O3粘附在研究電極上進行電化學實驗。

2 結果與討論

2.1 物相測試

對所有樣品做出的XRD圖譜幾乎一樣，如選#1樣品與Bi2O3標準圖譜作對比，如圖1所示：

從圖1可看到#1樣品的所有衍射峰均與標準Bi2O3衍射峰（JCPDS No.65-2366）吻合，可以確定其為α-Bi2O3。

2.2 三種樣品的SEM圖

圖2為三種不同溫度下所合成氧化鉍的SEM圖，其中圖2a，圖2b為140℃所合成的氧化鉍樣品，圖中的微粒大多為劍狀，長23～38μm、劍尖寬為200nm左右、劍柄寬為4～5μm。局部放大后可清晰看出氧化鉍的劍狀形貌，如圖2a所示。劍狀氧化鉍的形成是由于在微波加熱過程中，形成氧化鉍的生長單元沿不同的晶面其生長速率不同，沿某一晶面的生長速率越快，該晶面就消失的越快，其結果就形成了“點”的形狀――“劍尖”，而生長速率較慢的晶面，在水熱過程中能夠保持并進而形成平面狀結構――“劍柄”。

另外，其他兩種反應溫度下（160℃和180℃）生成的產物不能形成劍狀結構。

2.3 氮氣吸附實驗

圖3為劍狀氧化鉍的氮氣吸附曲線，由圖3可知，該等溫線沒有呈現環狀，說明生成的氧化鉍為非孔材料，這與掃描電鏡的分析結果是一致的。

2.4 Bi2O3的循環伏安行為

圖4為#1樣品的循環伏安曲線圖。由圖4可知，當掃描速度為50mV/s時，有三組氧化還原峰，且氧化峰與還原峰的總面積比較接近。無論氧化峰還是還原峰電流均隨著循環次數的增加而增加，這是由于在還原過程中，沉積出多孔的金屬Bi（Bi（0）Bi（metal）），從而增大反應面積和活性，使得反應電流逐漸增大，表現為曲線峰電流不斷升高。當電極上的所有活性物質全部轉化成多維網狀結構后，這種變化才會停止。同時隨著循環次數的增加，氧化峰和還原峰的面積也不斷增大，即電化學活性不斷增加，所以合成的Bi2O3具有較好的循環伏安性能。

當電位向陰極方向變化時，由于在高濃度的強堿性KOH溶液中，Bi2O3可溶解成為BiO-2，并按以下步驟發生還原反應，圖2中的還原電流峰即是這些還原反應的集中體現。

Bi2O3+2OH2BiO-2+H2O（1）

BiO-2+e-BiO2-2 （2）歧化：2H2O+3BiO2-22BiO-2+4OH-+Bi（0） （3）

活性原子Bi（∞進一步結合形成具有新型結構的多孔狀金屬Bimet：

Bi（0）adsBi（metal） （4）

當電位向陽極方向變化時，出現一組氧化峰，其總面積與還原峰面積相當。如果還原反應機理是上述“1電子的電化學還原反應+歧化”的話，那么這組氧化峰也應該是“1電子的電化學氧化反應”。金屬Bi可能按照下列“1電子的電化學氧化反應+歧化”機理發生電化學反應：

Bi（metal）-e-Bi+ （5）歧化：3Bi+Bi3++2Bi（metal） （6）

3OH-+Bi3+Bi（OH）3 （7）

圖5為#3樣品的循環伏安曲線，圖中分別在-0.79V、-0.81V和-0.82處出現一個還原峰，Bi2O3的電化學還原過程表述如下：第一次還原反應是發生在鉑碳電極/溶液界面上，生成的孔狀金屬Bi擴大了后續反應的面積，隨著電化學循環的進行，大顆粒的鉍氧化物也在溶解/沉積的過程中變成更小的顆粒，使得電化學反應面積和反應電流增加。由圖5還可以看出，當電位向陰極方向變化時，在高濃度的強堿性溶液中，溶解的Bi2O3會轉變為BiO2，見反應式（8）：

繼而發生式（4）的反應，活性原子Bi（0）進一步結合形成金屬Bi。

峰C2代表主要的陰極過程和對應于溶解的Bi-2的減少：

活性原子BiBi（0）進一步結合形成具有新型結構的多孔狀金屬Bi（metal）：

圖6為#3樣品的兩次循環伏安曲線。在氧化過程中，分別在-0.64V和-0.47V左右出現兩個氧化峰（A1、A2）即：在-0.64V左右出現的為一個高峰，而在-0.47V左右出現的為一個低的寬峰，緊接著是一個平臺。這兩個峰是由于Bi0（metal）轉化為Bi3+而引起的，只是由于氧化反應發生的部位不同，因反應生成或消耗，使不同部位的OH的濃度不同，所以導致氧化峰出現的電位也不同，而反映電流的持續導致平臺的產生。

A2峰和后面的穩定狀態與氧化金屬鉍（Ⅲ）有關，峰A1與一小部分金屬鉍位于微孔溶解金屬鉍界面附近相符。在這兩種情況下，該電化學機制是相同的：

Vivier等采用Raman光譜研究認為，動電位掃描過程中的氧化產物是BiOOH或Bi（OH）3，這些產物在開路電位下可轉化為Bi2O3，氧化產物Bi（OH）3在KOH溶液中也會出現溶解。

以上循環伏安圖表明，隨著反應溫度的升高，產物的可逆循環性能升高，這與其顆粒尺寸變小有關。因此，如果我們想提高二次堿性電池的可充性能，就應該減小添加劑的尺寸。

第5篇：光電化學技術范文

1、根據傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學傳感器二大類 ：

2、傳感器工作原理的分類物理傳感器應用的是物理效應，諸如壓電效應，磁致伸縮現象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應。被測信號量的微小變化都將轉換成電信號。

3、化學傳感器包括那些以化學吸附、電化學反應等現象為因果關系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉換成電信號。

4、有些傳感器既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學類。大多數傳感器是以物理原理為基礎運作的。化學傳感器技術問題較多，例如可靠性問題，規模生產的可能性，價格問題等，解決了這類難題，化學傳感器的應用將會有巨大增長。

（來源：文章屋網 ）

第6篇：光電化學技術范文

關鍵詞:染料敏化;TiO2薄膜;太陽能電池

1引 言

染料敏化TiO2納晶薄膜太陽能電池是一種新型的高效、低成本太陽能電池。自1991年由Grtzel提出以來, 染料敏化納晶二氧化鈦太陽能電池一直是國內外研究的熱門課題[1-4]。染料敏化TiO2納晶薄膜太陽能電池生產工藝簡單、制備電池過程耗能較少、能源回收周期短、生產成本較低(僅為硅太陽能電池的1/5～1/10)、可弱光發電、透明性好、光電轉化率不受溫度影響等優點。染料敏化TiO2納晶薄膜太陽能電池有望成為下一代實用性高性能太陽能電池。本文重點對TiO2的結構和性能、染料敏化納米TiO2薄膜的工作原理和制備方法的研究進展進行了綜述。

2TiO2的結構和性能

TiO2俗稱鈦白粉,它有三種晶體結構,銳鈦礦相、金紅石相和板鈦礦相。它們都是由[TiO6]8-八面體基本單位共頂點或共邊組成[5],如圖1所示。銳鈦礦相結構是由鈦氧八面體共邊組成的四面體結構,而金紅石和板鈦礦結構是[TiO6]8-八面體共頂點且共邊組成的稍有畸變的八面體結構。TiO2是一種寬禁帶的半導體材料,其中銳鈦礦型TiO2的禁帶寬度為3.2eV,并且TiO2資源豐富、安全無毒、化學性質穩定,其染料敏化TiO2薄膜太陽電池的理論光電轉化率為32.4%。

2染料敏化太陽電池(DSSC)的工作原理

圖2為DSSC太陽能電池工作原理圖,當太陽光照射到電池上時,染料分子吸收太陽光能量,使染料分子中的電子受激躍遷到激發態。激發態的電子將會快速注入到TiO2導帶中,染料分子因失去電子變成氧化態。注入到TiO2導帶中的電子在TiO2膜中的傳輸非常迅速,可以瞬間到達膜與導電玻璃的接觸面,并在導電基片上富集,通過外電路流向對電極。處于氧化態的染料分子,由電解質(I-/I3-) 溶液中的電子供體I-提供電子而回到基態,染料分子得以再生。電解質溶液中的電子供體I- 在提供電子以后變為I3-,擴散到對電極,I3-得到電子而還原I-,從而完成一個光電化學反應循環,也使電池各組分都回到初始狀態[6-7]。

3TiO2納米薄膜的制備方法

3.1 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法制備TiO2薄膜,一般先制備溶膠,然后用浸漬提拉、旋轉涂層或噴涂法將溶膠施于經過清潔處理的機體表面,最后再經干燥焙燒,在載體表面形成一層薄膜。以溶膠-凝膠法制備納米粒子有兩種途徑,一種以有機鈦化合物為原料,如鈦酸正丁酯[8]、鈦酸異丙酯[9]、鈦酸四乙酯[10]。另一種以無機鈦化合物為原料,如四氯化鈦[11]、硫酸鈦[12]。溶膠-凝膠法制備TiO2薄膜的優點為:

(1) 可通過簡單的設備,在各種規格和各種形狀的機體表面形成涂層;

(2) 可獲得高度均勻的多組分涂層和特定組分不均勻涂層;

(3) 可獲得粒徑分布比較均勻的涂層;

(4) 可通過多種方法對薄膜的表面結構和性能進行修飾;

(5) 負載膜催化劑易回收利用,在催化反應中后處理容易。

溶膠-凝膠法制備TiO2薄膜的缺點:

(1) 干燥過程中由于溶劑蒸發產生殘余應力導致薄膜容易龜裂;

(2) 焙燒時由于有機物的揮發及聚合骨架的破壞,也容易導致薄膜龜裂出現裂縫,甚至脫落;

(3) 由于薄膜的應力影響限制了薄膜的厚度;

(4) 溶膠的粘度、溫度、濃度、機體的波動,會影響薄膜的質量;

(5) 采用浸漬提拉法,在提拉出液面后,因表面張力作用會在底部形成液滴,并在液滴周圍產生一定的厚度梯度;

(6) 由于機體比較光滑,薄膜與機體之間作用力小,負載牢固性差[13]。

3.2 電化學沉積法

因為電化學共沉積是多相(固液相均為多相) 交界面的物質基本粒子與物質顆粒的復合運動與交換,存在諸多影響因素。影響電沉積薄膜質量的主要因素包括電流、電位、電解質濃度配比、溶液的pH值及其沉積溫度等。在制備過程中,上述參量中有一種發生變化,將會對制備薄膜的性能及結構造成很大的影響,并會因此而改變沉積層的成分。

3.2.1電流和電位的影響

二氧化鈦薄膜只能在一定范圍的電位和電流條件下才能得到,因為每種物質的氧化物還原均在一定條件下才能發生。一般來說,過電位越大,沉積時所需電流密度也越大。恒電流沉積時過電位隨時間延長而逐漸增大;恒電位沉積時,電流密度隨時間延長而逐漸變小。無論是恒電流還是恒電位沉積,二氧化鈦沉積量隨時間延長逐漸增加,但只有在電化學沉積初期與理論值比較接近,以后隨時間推移,二者偏差越來越大。

3.2.2電解質濃度配比

在溶液中,離子的濃度越高,其對應的電極電位就越大,該濃度高的離子將首先沉積出來,即在沉積成分中的含量高。反之,濃度越低,電極電位就越小,沉積出來的就少。調節離子濃度的比值,可以縮小它們之間電極電位的差值。這種調整一般可用化學平衡(酸堿平衡、沉淀及溶解平衡、絡合平衡等) 來實現。電解質溶液中各種離子的濃度對膜的成分有直接影響,但溶液中離子濃度的比值未必與薄膜設定組成相同。但鍍液中離子濃度的比例愈高,膜中它們的比例也愈高。此外,溶液濃度還對鍍層的表面形貌、結構、組成及其他性質都有很大影響。

3.2.3 溶液的pH值

當電極反應中,有H+參加反應時,pH值的大小直接影響到不同元素的離子能否在陰極上共沉積以及沉積薄膜中不同元素原子的比例,而且電解質溶液的酸度也決定被還原物質的氧化態和還原態的形式,溶液的pH值對電化學反應和成膜反應都有較大的影響,通常只有在一定的pH值范圍內,才能形成指定結構的膜材料。在調整沉積物的物理特性問題上,pH值比其它因素更加重要。

3.2.4溫度

溫度會影響遷移率、擴散速率,并常常對絡合物的機制和穩定性有影響,這可能使添加劑分解。溫度的提高一般將增加膜內惰性較強金屬成分的含量。但是由于溫度改變時會造成一些間接的影響,如改變了絡合物溶液的組成等,故情況稍微復雜些,通常沉積溫度應保持在室溫條件下。

An等[14]以TiCl4或TiCl3為前驅體,向電解液中加入陽離子表面活性劑溴化十六烷三甲基銨(CTAB),通過陰極電沉積法制備了TiO2薄膜。喬俊強等[15]采用直流復合電沉積法,在納米鎳鍍液中加入平均粒徑為15 nm的TiO2納米顆粒,采用機械攪拌,成功地制備出TiO2/Ni納米復合涂層。

3.3 化學氣相沉積法

化學氣相沉積法是在加熱的基片或物體表面,通過一種或幾種氣態元素或化合物產生的化學反應,形成不揮發的固體膜層的過程。該法制備的薄膜純度較高,容易形成結晶定向好的材料。反應中只要改變或調節化學反應的組分,即可控制沉積物的成分和特征,制得各種性質的薄膜。但該方法對設備要求高、成本昂貴、技術難度大、工藝復雜。McCurdy P R等[16]用等離子增強化學氣相沉積法在硅片上制得了TiO2薄膜;Murakami T N等[17]首先在有PET涂層的ITO基底上用電泳法沉積TiO2薄膜,該薄膜再用化學氣相沉積技術進行后處理,最終得到的薄膜用于染料敏化太陽能電池可表現出良好的光電性能。

3.4 濺射法

在真空環境下,用電弧、高頻或等離子體等高溫熱源將原料加熱,利用熱蒸發或輝光放電等物理過程使之氣化或形成等離子體,然后驟冷使之在基片上沉積。目前常用的物理氣相沉積法主要有電弧離子濺射、直流濺射、射頻濺射、磁控濺射等。該法制得的薄膜不易開裂,厚度均勻,易于控制薄膜結構與性質。但反應需在真空下進行,并且設備昂貴,操作較為復雜。金炯等[18]采用射頻反應磁控濺射法制備了低輻射的TiO2薄膜。蔡臻煒等[19]用直流反應磁控濺射方法在玻璃基底上制備了Sb修飾的TiO2薄膜。

3.5 自組裝制備方法

采用自組裝方法制備TiO2薄膜,可在低溫下進行,且能控制薄膜的形態和膜界面粒子生長的大小。LB膜技術、軟刻(Lithography)技術、自組裝(SA)技術、靜電組裝(ESA)技術和模板(TA)組裝技術是構造納米薄膜的有效方法[20-21]。其中LB膜技術可以制備多層膜并方便地控制膜的厚度,但LB膜技術的設備復雜昂貴,且要求基底平整,在一定程度上限制了該方法的應用。相比于LB膜技術,模板技術對熱、時間、壓力和化學環境的穩定性較高,且成膜技術簡單。Kim等[22]采用TiCl4水解在陽極Al2O3薄膜模板上制備TiO2納米棒和納米管。

3.6 水熱法

水熱合成TiO2納米晶,并進一步制成納米晶TiO2多孔膜是目前獲得最高光電轉換效率DSSC光電極的制備方法[23-25]。水熱合成法是通過水解鈦的醇鹽或氯化物前驅體得到無定形沉淀,然后在酸性或堿性溶液中膠溶得到溶膠物質,采用某種溶劑(水或有機溶劑,以水作溶劑時稱水熱法,以有機溶劑作溶劑時稱溶劑熱法)作為反應介質,將溶膠在高壓釜中進行水熱Ostwald熟化。通過對反應容器加熱到水(溶劑)的沸點以上,創造高溫、高壓的液、氣流體反應環境,使通常難溶或不溶的物質溶解,發生一系列反應(生成氫氧化物溶于水中,同時析出氧化物)制備納米晶。

這種方法對設備要求不高、容易操作,其中的水熱熟化過程還可以控制產物的結晶和長大,因而使半導體氧化物的顆粒尺寸和分布,以及薄膜的孔隙率成為可以控制的因素,并且效果良好。David Grosso小組觀察到在一定的水熱處理溫度下,薄膜出現“自組裝”現象,呈現理想的表面形態[26]。這對于獲得有利于DSSC光電轉換的光電極意義非常重大。水熱合成法的局限性是它必須進行高溫和高壓處理,這限制了基底材料的選用。如目前研究得比較多的用柔性有機聚合物取代玻璃作基底材料就會受到高溫處理過程的限制。此外,水熱合成法需時較長,整個過程需要十幾個小時,且不能及時獲得光電極。水熱合成法需要耐溫、耐壓、耐酸腐蝕的反應釜,操作復雜,有機溶劑的毒性、可燃性有潛在環保和安全問題。目前大多研究集中在粉體制備上,但基本上都停留在實驗室幾十毫升至幾升的小高壓釜水平上,難以產業化。

4TiO2染料敏化太陽能電池的改性研究

TiO2染料敏化太陽能電池雖然有許多優點,但是要作為新一代產業化的太陽能電池仍存在一定的問題,這些問題主要表現在:第一、其實際光電轉換效率遠低于理論值;第二、隨著面積的增大,光電轉換率降低,限制了染料敏化太陽能電池的產業化;第三、電池的開路電壓較低,一般都小于1V,這也限制了在實際中的應用。

為了有效解決這些問題,近年來國內外學者[27-30]曾采取一系列措施, 這些措施包括TiCl4表面處理、表面包覆、摻雜等,Grtzel[31]采用TiCl4水溶液處理納米TiO2光陽極,可以在純度不高的TiO2核外面包覆一層高純的TiO2,增加電子注入效率,在半導體-電解質界面形成阻擋層;同時和電沉積一樣,在納米TiO2薄膜之間形成新的納米TiO2顆粒,增強了納米TiO2顆粒間的電接觸。遠存達[32]等對TiCl4 處理的可能機理進行了研究,認為TiCl4處理降低了TiO2的導電帶邊位置,增大了光電子的注入效率。與TiCl4表面處理作用類似的方法有酸處理和表面電沉積等。表面包覆是納米TiO2電極表面修飾的一個重要方法,TiO2表面包覆ZnO、Nb2O5、SrO、SrTiO3等金屬氧化物后電池效率均有明顯的提高[33-37]。

研究發現[38],對單晶或多晶TiO2進行某些金屬離子摻雜可以減少電子-空穴對復合,延長電荷壽命,從而提高光電流。Hao等[39]用鑭系金屬離子對TiO2納米粒子進行摻雜,并將離子摻雜的TiO2納米粒子制成DSSC光陽極,在同樣條件下得到了較高的光電轉換效率。Lee等[40]發現TiO2納米摻雜Al和W對光電性質有明顯的影響。摻雜Al的TiO2可以增強開路電壓,然而會適當降低短路電流;摻雜W則相反,W的摻雜不僅能夠改變TiO2顆粒的團聚狀態和染料的結合程度,而且能夠改善電子的傳輸動力。因此如何解決這些問題對于染料敏化TiO2太陽能電池的工業化應用具有重要意義。

5展 望

通過近年來對染料敏化納米晶太陽能電池的研究,其光電轉化效率已能穩定在10%以上,壽命能達15～20年,且其制造成本僅為硅太陽能電池的1/5～1/10,可以預計其性價比的優勢在未來工業化和商業化上將很快得到充分的體現,必將在太陽能電池領域占有一席之地,對它的研究將有利于緩解當今世界的能源危機問題,具有非常重要的現實意義。總之,染料敏化納米晶太陽能電池具有低成本、壽命長、高效率、大規模生產結構簡單和易于制造等眾多優點,我們相信,隨著技術的發展,這種太陽能電池將會有著十分廣闊的應用前景。

參考文獻

[1] J.M.Kroon,N.J.Bakker,H.J.P.Smit,et al.Nanocrystalline

dye-sensitized solar cells having maximum

performance[J].Progress in Photovoltaics: Research

and Applications,2007,15(1):1-18.

[2] Nicola Armaroli,Vincenzo Balzani.The future of energy

supply:challenges and opportunities[J].Angewandte

chemie international edition,2007,46(1-2):52-66.

[3] 戴松元,王孔嘉,隋毅峰等.大面積染料敏化納米薄膜太陽

電池的研制[J].太陽能學報,2004,25(6):807-810.

[4] 高巖,胡志強,劉麗紅等.柔性色素增感太陽能電池的研究

進展[J].材料導報,2006,20(9):112-115.

[5] 高濂,鄭珊,張青紅.納米氧化鈦光催化材料及應用[M].北京:

化學工業出版社,2002.

[6] 霍茲等.納米材料電化學[M].科學出版社.北京,2006.

[7] 楊術明,李富友,黃春輝.染料敏化納米晶太陽能電池[J].

化學通報,2002,5:292-296.

[8] 吳鳳清,阮圣平,李曉平等.納米TiO2的制備表征及光催化

性能的研究[J].功能材料,2001,32(1):69-71.

[9] Wang C C,Ying J Y.Sol-Gel synthesis and hydrothermal

pro-cessing of anatase and rutile Titania

nanocrystals[J].Chem.Mater,1999,11:3113-3120.

[10] Zhang H Z,Finnegan M,Banfield J F.Preparing

single-phase nanocrystalline anatase from Amorphous

titania with particle sizes tailored by temperature[J].

Nano Letters,2001,1(2):81-85.

[11] 王麗穎,崔海寧,曾廣斌等.二氧化鈦納米微晶的制備及性

質的研究[J]. 光譜學與光譜分析,1997,8(4):45-49.

[12] Zhao J Z,Wang Z C.The Preparation and mechanism

studies ofporous titania[J].Materials Chemistry

and Physics,2000,63:9-12.

[13] 鄧噸英.固定二氧化鈦薄膜的制備及其光催化降解甲醛的

研究[D].湖南師范大學,2005.

[14] AN H J,JANG S R.Cationic surfactant promoted

reductive electrodeposition of nanocrystalline

anatase TiO2 for application to dye-sensitized solar

cells[J].Electrochimica Acta,2005,50(13):2713-2718.

[15] Qiao Junqiang,Sun Xiaojun,Sun Yingjie,et al.電沉積

TiO2/Ni納米復合涂層的微結構與性能[J].

Electroplating&Finishing,2005,24(11):8-11.

[16] Patrick R M,Laura J S,Sandeep K,et al.

Investigation of the PECVD TiO2-Si(100) interface[J].

Applied Surface Science,2004,233:69-79.

[17] Murakami T N,Kijitori Y,Kawashiman,et al.Low temperature

preparation of mesoporous TiO2 films for efficient

dye-sensitizedphotoelectrode by chemical vapor

deposition combined with UV light irradiation[J].

Journal of Photochemistry and Photobiology A:

Chemistry,2004,164:187-191.

[18] 金炯,董樹榮,王德苗.射頻反應磁控濺射制備低輻射薄膜[J].

真空科學與技術學報,2006,26(1):28-30.

[19] 蔡臻煒,沃松濤,沈杰等.銻在直流反應磁控濺射制備二氧

化鈦薄膜中的作用[J].真空科學與技術學報,2005,25(1):50-53.

[20] 胡巧青,朱光明,孔德鵬等.納米二氧化鈦薄膜的制備技術[J].

化學工業與工程,2008,25(1):76-81.

[21] 孔凡太,戴松元.染料敏化太陽電池研究進展[J].化學進

展,2006,18(11):1409-1424.

[22] Yoon J H,Jang S R,Vittal R,et al.TiO2 nanorods as

additive to TiO2 film for improvement in the

performance of dye-sensitized solar cells[J].

Journal of photochemistry and photobiology.A,

Chemistry, 2006,180:184-188.

[23] 張秀坤,吳季懷,范樂慶等.大粒徑TiO2反射層對染料敏化

太陽能電池性能改進[J].無機化學學報,2008,24(12):

2002-2006.

[24] Chou,T.P.Titania particle size effect on the

overall performance of dye-sensitized solar cells[J].

Journal of Physical Chemistry C,2007,111(17):

6296-6302.

[25] Barnard,A.S.and L.A.Curtiss.Prediction of TiO2

Nanoparticle Phase and Shape Transitions Controlled

by Surface Chemistry[J].Nano Letters, 2005,5(7):

1261-1266.

[26] D.Grosso,F.C.,G.Soler-Illia,E.Crepaldi,et al.Fundamentals

of mesostructuring through evaporation-induced

self-assembly[J].Advanced functional materials,

2004,14(4):309-322.

[27] Ren Y J,Zhang L,Cai S M.Photocurrent enhancement

by TiCl4 post-treatment for TiO2 nanoporous film

electrodes[J].Electro chemistry,2002,8(1):5-8.

[28] Zeng L Y,Dai S Y,Wang K J,et al.Mechanism of enhanced

performance of dye-sensitized solar cell based TiO2

films treated by titanium tetrachloride[J].Chinese

Physics Letters, 2004,21(9):1835-1837.

[29] Nazeeruddin M K,Kay A,Rodicio I,et al.Conversion

of light toelectricity by cis-X2Bis

(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylate)ruthenium(Ⅱ)

charge-transfer sensitizers(X=Cl-,Br-,I-,CN-and SCN-)

nanocrystalline TiO2 electrodes[J].Journal of the

American chemical society,1993,115:6382-6390.

[30] 戴松元,史成武,翁堅等.染料敏化納米薄膜太陽能電池最

新研究和產業化前景[J].太陽能學報,2005,26(1):121-126.

[31] Ito S,Liska P,Comte P,et al.Control of dark

current in photoelectrochemical(TiO2/I-I3-)and

dye-sensitized solar cells[J].Chemical Communications,

2005,34:4351-4353.

[32] 遠存達,趙穎,蔡寧等.TiCl4處理對TiO2薄膜顯微結構以

及染料敏化太陽電池性能的影響[J].人工晶體學報,

2008,37(5):1132-1135.

[33] Bandara J,Weerasinghe H C.Enhancement of photovoltage

of dye-sensitized solid-state solar cells by

introducing highbandgap oxide layers[J].Solar

Energy Materials and Solar Cells,2005,88(4):

341-350.

[34] Chen S G,Chappel S,Diamant Y,et al.Preparation

of Nb2O5 coated TiO2 nanoporous electrodes and

their application in dye-sensitized solar cells[J].

Chemistry of Materials,2001,13(12):4629-4634.

[35] Lenzmann F,Krueger J,Burnside S,et al.Surface

photovoltage spectroscopy of dye-sensitized solar

cells with TiO2, Nb2O5 and SrTiO3 nanocrystalline

photoanodes: indication for electron injection from

higher excited dye states[J].Phys.Chem.B,2001,105

(27):6347-6352.

[36] Yang S M,Huang Y Y,Huang C H,et al.Enhanced

energy Conversion efficiency of the Sr2+-modified

nanoporous TiO2 electrode sensitized with a

ruthenium complex[J].Chemistry of materials,

2002,14:1500-1504.

[37] Diamant Y,Chen S G,Melamed O,et al.Core-shell

nanoporous electrode for dye sensitized solar

cells:the effect of the SrTiO3 shell on the

electronic properties of the TiO2 core[J].Physics

ChemistryB,2003,107:1977-198.

[38] 楊蓉,王維波,肖緒瑞等.苯基磷酸聯吡啶釕絡合物敏化鈉

晶多孔TiO2薄膜電極光電性能研究[J].感光科學與光

化學,1997,15(4):293-296.

[39] Wang Y Q, Hao Y Z,Cheng H M, et al.Thephotoelectrochemistry

of transition metal-ion-doped TiO2 nanocrystalline

electrodesand higher solar cell conversion

efficiency based on Zn2+-doped TiO2 electrode[J].

Materials Science,1999,34(12):2773-2779.

[40] Ko K H,Lee Y C,Jung Y J,et al.Enhanced efficiency

of dye-sensitized TiO2 solar cells (DSSC) by

第7篇：光電化學技術范文

    研究進展

    1991年,瑞士洛桑高等工業學校的Brian O Regan和Graetzel M 報道了一種以染料敏化TiO2納米晶膜作光陽極的新型高效太陽能電池,從而開創了太陽能電池的新世紀,世界上第一個納米太陽能電池誕生了。

    但是利用液態電解質作為空穴傳輸材料實踐中存在許多無法改進的缺陷,如由于密封工藝復雜,長期放置造成電解液泄露,電池中還存在密封劑與電解液的反應,電極有光腐蝕現象,且敏化染料易脫附等,研究者們以固態空穴傳輸材料取而代之制備出全固態納米太陽能電池,并取得可喜的成就。

    1996年,Masamitsu等人利用固態高分子電解質制備了全固態太陽能電池,利用特殊的制備方法獲得了高離子導電性的電解質,得到了連續的光電流,并得到0.49%的光電轉換效率。

    1998年Graetzel等人利用OMeTAD作空穴傳輸材料得到0.74%的光電轉換效率,而其單色光光電轉換效率達到了33%,引起了世人的矚目,使納米太陽能電池向全固態邁進了一大步。

    國際上的研究熱點之一是將單個液結TiO2納米太陽能電池串聯,以提高開路電壓。中科院等離子體物理研究所為主要承擔單位的研究項目在此領域取得重大突破性進展,2004年10月中旬建成了500瓦規模的小型示范電站,光電轉換效率達到5%。這項成果使我國大面積染料敏化納米薄膜太陽電池的研制水平處于國際領先地位,為進一步推動低成本太陽電池在我國的實用化打下了牢固基礎。

    專利

    國內外都公開了一些相關領域的專利,其中日本的專利數量最多。下面選取近幾年部分專利簡單介紹。

    北京大學2002年5月22日公開的CN1350334納米晶膜太陽能電池電極及其制備方法,涉及一種納米晶膜太陽能電池電極及其制備方法,以寬禁帶半導體納米晶膜為基底,在該基底表面吸附一層金屬離子,再在金屬離子吸附層上吸附光敏化劑。通過金屬離子的表面修飾,改善電極的光電轉換性能,提高太陽能電池的光電轉換效率。與單純TiO2相比,基于金屬離子修飾TiO2納米晶太陽能電池的光電轉化效率提高了5~14%,可作為電極廣泛應用于太陽能領域。

    東南大學2005年1月12日公開了CN1564326軟基固態染料敏化薄膜太陽能電池及制備方法。軟基固態染料敏化薄膜太陽能電池是一種成本低、制造工藝簡單、性能穩定、理論上壽命可以達到20年以上的軟基太陽能電池,該太陽能電池的結構為層狀結構,即:在透光導電聚酯片下設有TiO2納米晶膜,在TiO2納米晶膜下設有LnPc2敏化層,在LnPc2敏化層下設有固體電解質層,在固體電解質層下設有柔軟金屬膜背電極,在柔軟金屬膜背電極下設有高阻隔復合Al膜。

    復旦大學2005年7月27日公開的CN1645632一種固態染料敏化納米晶太陽能電池及其制備方法,具體為一種采用離子液體與無機納米粒子之間的氫鍵相互作用形成的染料敏化納米晶表面組裝上固態電解質作電解質材料的太陽能電池及其制備方法。該太陽能電池中,在吸附光敏化劑的寬禁帶半導體納米晶膜的表面組裝固態電解質來代替液體電解質,解決了液體電解質的封裝問題,而且在不明顯降低電池的光電轉化效率的前提下,能夠大幅度延長染料太陽能電池的使用壽命。其中的寬禁帶半導體納米晶膜為TiO2納米晶膜。

    中國科學院等離子體物理研究所就染料敏化納米薄膜太陽電池申請了多篇專利,其中2003年9月24日授權公告的3篇發明專利分別涉及到染料敏化納米薄膜太陽電池的電解質溶液、電極制備方法、密封方法等,CN1444290公開的染料敏化納米薄膜太陽電池用電解質溶液,以A、B或B、F或A、B、F為主體組分,通過復配或不復配其它四個組分中的一個或幾個組分組成電解質溶液,其中A組分—有機溶劑或混合有機溶劑;B組分—電化學可逆性好的I2/I-(即I3-/I-)氧化還原電對;C組分—光陽極的配合劑;D組分—碘化物中陽離子的配合劑;E組分—I2的配合劑;F組分—離子液體;G組分—紫外吸收劑。這種電解質溶液,具有較高的電導率、較低的粘度、良好的電化學可逆性、良好的低溫穩定性、較強的耐紫外線性能,能提高太陽電池效率,增加太陽電池壽命,本身性能穩定,對環境無污染等優點。

    中國科學院等離子體物理研究所2005年9月7日公開的CN2724205大面積內部并聯染料敏化納米薄膜太陽電池,包括有上、下兩面透明基板,透明基板上有透明導電膜,透明導電膜上有導電電極與催化劑層間隔排布,另一透明導電膜上導電電極與納米多孔半導體材料塊間隔排布,納米多孔半導體材料中浸漬有染料。將兩塊透明基板疊放在一起,周邊密封成腔體,腔體中有電解液。本實用新型制作電池內部并聯電極,獲得所需要的該太陽電池輸出電流。電池密封功能好,保證了電池運行的長期穩定性。本實用新型的技術和方法操作簡單易行,價格低廉,電池性能穩定。 

    日本SEIKO EPSON CORP于2001年4月27日公開了JP2001119052半導體和太陽能電池及其制備方法。傳統的濕型太陽能電池在氧化鈦電極中包含染料,對于吸收波長非常敏感,但是由于TiO2會分解這些有機染料,它的壽命達不到實用的要求。本專利將銳鈦礦型TiO2微粒燒結成多孔TiO2半導體,還包含雜質鉻或釩,解決了這個問題。

    日本KANEKO MASAHARU于2003年6月24日公開了染料敏化太陽能電池及TiO2薄膜和電極的制備方法,提供了一種制備多孔TiO2薄膜的噴涂分解方法,適用性和生產率都得到保障,利用這種薄膜作太陽電池的電極可以提高了太陽電池的能量轉換率。具體方法是將一種鈦混合物添加到TiO2溶膠溶液中,得到一種原材料溶液,或將非晶TiO2溶膠溶液和銳鈦礦TiO2溶膠水溶液混合得到另一種原材料溶液。間歇地將這兩種原料溶液噴涂到基底上,在高溫下熱分解鈦混合物,在基底上形成TiO2多孔薄膜。在透明電極和TiO2多孔薄膜之間用有機鈦混合物為原材料制備一層密實的TiO2緩沖膜。

    希臘LIANOS PANAGIOTIS于2004年11月4日公開了WO2004095481用納米結構有機無機材料制作的電化學太陽能電池,描述了一種固態光電化學太陽電池的結構,包括納米有機-無機材料的薄膜,可以將太陽能轉換為電能。電池的主要組成部分包括:(1)商用透明導電玻璃;(2)透明的TiO2薄膜,釕有機金屬混合物作為光敏劑;(3)由納米結構的有機-無機材料制備的固態凝膠電解液層;(4)作為陽極的商用導電玻璃,可以淀積一層鉑。

    應用前景

    納米TiO2太陽能電池有著可以與傳統固態光伏電池相媲美的高光電轉換率,加之價格低廉,使這種電池具有廣闊的前景和潛在的商業價值。雖然此類太陽能電池還存在一些問題,仍需進一步深入研究。但是,納米太陽能電池以其高效低價無污染的巨大優勢挑戰未來,我們相信,隨著科技發展,研究推進,這種太陽能電池應用前景廣闊無限。

    參考文獻:

    [1] A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films 

    Nature,l99l,353:737—74O

    [2] 環境納米技術,化學工業出版社,2003.5

    [3] 固態TiO2納米太陽電池研究進展.化學研究與應用 2003(2)31-36

    [4] Dye Sensitized TiO2 Photoelectrochemical Cell Constructed With Polymer Solid Electrolyte

    Solid State Ionics,1996,89:263—267.

    [5] Solid-state dye-sensitized mesoporous TiO2 solar cells with high photon-to-electron conversion efficiencies .Nature,1998,395:583—585

    [6] 中科院建成染料薄膜太陽電池500瓦示范電站

    people.com.cn/GB/keji/1056/2969232.html

第8篇：光電化學技術范文

關鍵詞：綠色催化劑；綠色化學

一、催化劑與綠色催化劑

催化劑是一種物質的特定稱呼，是指在化學反應中能改變反應速率，但本身的化學性質和質量在反應前后都沒有發生變化的物質。催化劑會誘導化學反應發生改變，而使化學反應變快或減慢或者在較低的溫度環境下進行。催化劑在工業上也稱為觸媒。

綠色催化劑是指在催化轉化反應過程中，不產生環境污染，甚至是“零排放”，從而能夠實現清潔生產的這樣一類催化劑。

二、綠色化學

綠色化學又稱環境無害化學、環境友好化學、清潔化學。近年來，綠色化學的研究工作主要圍繞化學反應、原料、催化劑、溶劑和產品的綠色化展開的。綠色化學代表著二十一世紀化學學科的主流方向，而綠色催化劑將是綠色化學的重要組成部分。

綠色化學對人類社會的發展和進步有著深遠的影響，而綠色催化技術在綠色化學發展中作用十分重要。因為，80%以上的傳統化工過程都與催化作用有關。近年來隨著人類對能源、環境和健康等問題的普遍關注，綠色催化劑的作用和地位獲得了新的評價。

三、綠色催化劑的種類

（一）分子篩催化劑

分子篩催化劑，又稱沸石分子篩催化劑，系指以分子篩為催化劑活性組分或主要活性組分之一的催化劑。分子篩具有離子交換性能、均一的分子大小的孔道、酸催化活性，并有良好的熱穩定性和水熱穩定性，可制成對許多反應有高活性、高選擇性的催化劑。

（二）雜多酸催化劑

雜多酸是一類由中心原子（俗稱雜原子）和配位原子（多原子）按一定的空間結構、借助氧原子橋聯成的含氧多元酸。是強度均勻的質子酸，并有氧化還原能力，通過改變組成，可調節酸強度和氧化還原性能。水分存在時形成的擬液相也能影響其酸性和氧化還原能力。雜多酸有固體和液體兩種形態。

（三）固體超強酸催化劑

超強酸是比100%硫酸還強的酸，其HO

（四）光催化劑

這是一類借助光的激發而進行催化反應的催化劑，如ZnO-CuO-H2O2，在紫外光作用下，可對染料廢水進行催化脫色，脫色率近100%。TiO2光催化劑光解二氯乙酸、光的光解制氫、CO2的光催化固碳都是為未來解決能源、人工光合作用的主要催化反應。

（五）電極催化劑

在這類電化學反應中，電極既是電化學反應的反應物場所 也是供應和接收電子的場所，故兼有催化和促進電子遷移的雙重功能。通過外部電路調控電極電位，可對反應條件、反應速率進行調控。

（六）酶催化劑

酶催化劑可以說時一種真正的綠色催化劑，它是一種能加速特殊反應的生物分子，有近乎專一的催化性能。

（七）膜催化劑

膜催化劑是將催化劑制成膜反應器，反應物可選擇性的穿越催化膜并發生反應，產物也可以選擇性的穿過膜而離開反應區域，從而有效地調節反應區域內的反應物和產物的濃度，這也是將膜技術和催化綜合的一種催化工藝。

四、綠色催化劑在綠色化學上的應用

（一）分子篩催化劑

分子篩熱穩定性好，在900K時仍存在催化活性，因而用它制成蜂窩狀陶瓷，用于汽車尾氣的催化劑轉化的載體。另外，分子篩催化裂化在石油化學工業中已大量使用。催化裂化分子篩催化劑一般是稀土元素或高價金屬元素取代鈉元素的Y型分子篩。與普通硅鋁催化劑相比，具有活性高，熱穩定性好的特點，可在較緩和條件下進行反應，同時允許在630～680℃的高溫下再生以更好地恢復活性。此外，它抗中毒能力強，能加工某些含重金屬較多的劣質原料。

（二）雜多酸催化劑

作為酸催化劑，其活性中心既存在于“表相”，也存在于“體相”。雜多酸有類似于濃液的“擬液相”，這種特性使其具有很高的催化活性，既可以表面發生催化反應，也可以在液相中發生催化反應，雜多酸如前所述既是氧化催化劑，還是光電催化劑。十二鎢磷酸，用于催化丙烯水合制異丙醇，轉化率中等，選擇性很高，是成功應用的典范。

雜多酸具有的可調控酸性，它取代HF、硫酸、磷酸，以固體形式進行多相催化反應，用雜多酸做催化劑可提高反應的回收率。與沸石分子篩催化劑類似，它具有不腐蝕設備、資源利用充分、不污染環境、工藝簡便等優點。雜多酸又因其兼具氧化、光電催化等功能，在化工生產尤其是石油化工生產中被廣泛采用。

（三）固體超強酸催化劑

固體超強酸在丙醇水合制異丙醇和異丙醚，甲醇和異丙烯制甲基叔丁基醚、醇酸酯化、烴的硝化、氧化氯代烴的還原等反應中都體現出優良的催化性能。

第9篇：光電化學技術范文

【關鍵詞】黃鐵礦；FeS2；太陽能電池

0 引言

隨著21世紀工業化進程的前進，全球經濟飛速發展。非可再生能源，如煤炭、石油、天然氣等資源的消耗量與日俱增。資源消耗的同時，造成大量酸性氣體SO2、CO2排放量不斷增長，酸雨形成，全球變暖，溫室效應越發嚴重。如何改變現有的能源結構，開發新型可再生、無污染能源，實現可持續發展已成為現階段各國科研的緊迫任務。在眾多新能源中，太陽能是儲量最大、環境友好、可再生、無污染的綠色清潔能源。太陽能電池種類繁多，主要以硅太陽能電池為主，隨著光伏產業的發展，世界范圍內硅資源短缺，提純成本昂貴、工藝復雜、材料要求苛刻。因此，以硅材料為主的太陽能電池難以普及應用。

1 染料敏化太陽能電池的發展

1991年，Gratzel等根據光合作用的原理啟發，首次研制出以TiO2納米晶為光陽極的染料敏化納米晶太陽能電池（簡稱DSSC），將吸收到的太陽光直接轉化為電能。光電轉化效率可達到7.1%～7.9%，與傳統硅材料太陽能電池相比，成本低、環境友好、工藝簡單，光電轉化效率相對較高，現已成為太陽能電池材料的研究熱點。銳鈦礦型TiO2是n型半導體材料，禁帶寬度為3.2eV，可吸收紫外光，但對可見光吸收較弱，為增強太陽光的吸收利用率，需要摻雜或修飾TiO2半導體薄膜表面，科研人員將光敏劑染料吸附在TiO2薄膜表面，借助光敏染料對可見光的敏感作用，增加太陽光的吸收效率。在染料敏化納米晶太陽能電池中，光敏化劑是吸收入射光、轉移光生電子的重要材料。光敏化劑的性能對光電轉化效率具有直接影響，因此，對光敏化劑的性能要求尤為嚴格。要求材料吸收光譜能與太陽光可見光譜較好的匹配，禁帶寬度較窄，能吸收大部分太陽光；與TiO2能帶匹配，能夠長期激發光電子；緊密吸附在多孔TiO2薄膜表面；性能穩定。研究人員將TiO2與CdS、ZnO、PbS、FeS2等半導體化合物復合制成復合半導體薄膜，以此改善染料敏化太陽能電池的光吸收性。TiO2復合薄膜光電極的光電轉化效率明顯優于純TiO2薄膜電極。以往首選的吸收可見太陽光、提高光電轉化效率的無機材料有CdS 、CdSe等，但由于材料本身具有毒性、對環境造成嚴重污染等諸多因素，導致其并不是光敏化劑的最優選擇。近年來，黃鐵礦型FeS2作為光敏化劑的研究實驗增多，由于其無毒、穩定、儲量豐富、光吸收系數高、禁帶寬度較窄等優異特性，引起了科研人員的廣泛關注。

2 黃鐵礦型FeS2的簡介

黃鐵礦，化學式：FeS2，屬于過度族金屬雙硫化合物，是地殼層中含量豐富的硫化物。黃鐵礦具有較高的光吸收系數（λ6×105cm-1）和合適的禁帶寬度0.95eV，元素無毒環保，性能穩定，價格低廉等優質特性被公認為是太陽能電池的理想材料。黃鐵礦型FeS2晶體屬于典型立方結構化合物，其晶體結構類似于NaCl，其中Fe原子相當于Na原子位置[1]，而2個S原子組成的原子團中心處于Cl原子位置。

20世紀50年代，科研人員對黃鐵礦型FeS2的半導體性能進行了研究。1983年Jaegerman等人發現，在室溫下，太陽光照射在天然FeS2單晶光電極上產生光電流。1986年， Ennaoui等首次將FeS2用作光電化學電池的光電極，在1W?cm-2強光照射下，光電轉化效率為1%。后采用MOCVD法將FeS2沉積在多孔TiO2薄膜上，成功制備FeS2/ TiO2/電解液太陽能電池，光電轉化效率提高到2.8%，并得出電解液pH值對光電極的光電性能影響較大的結論。

3 FeS2納米晶敏化太陽能電池的原理

科研人員測試了TiO2/ FeS2復合薄膜的光吸收性能、I-V伏安特性曲線、光電化學轉化效率等等。結果均表明以FeS2作TiO2納米晶的光敏化劑可以明顯提高太陽能電池的光電轉化性能。以TiO2/ FeS2復合薄膜作為敏化太陽能電池的光陽極，電解質為I3-/I-，當光照射FeS2薄膜時， FeS2價帶電子吸收光能被激發，進入FeS2導帶，產生光生載流子，載流子注入到TiO2導帶中。電解質將電子提供給FeS2，使FeS2還原，外電路中的電子從對電極進入電解質，補充電解質中缺失的電子，如此循環反復，完成電循環。TiO2/ FeS2復合薄膜納米晶太陽能電池原理如下：

FeS2（基態）+hvFeS2（激發態）FeS2+（電子進入TiO2導帶）

FeS2++3I-FeS2+I3-（FeS2還原）

I3-+2e-3I-（電解質還原）

張晨寧等人采用溶液浸漬法在ITO導電玻璃表面制備多孔TiO2薄膜，在多孔TiO2薄膜上沉積FeS2薄膜，經硫氣氛熱處理后，制得TiO2/ FeS2復合薄膜，作為光陽極，制備成DSSC電池。研究發現，FeS2作為無機增感色素可以提高DSSC電池的性能，當FeS2前軀體溶液濃度為0.1mol/L，浸漬時間為30h，500℃溫度下硫化熱處理20min時，晶粒分布均勻、厚度適中、光吸收性良好，制得DSSC電池的短路電流和開路電壓較大，電池性能較好[2]。

陳章其等人，用溶膠-凝膠法在ITO導電玻璃上制備純銳鈦礦結構的TiO2薄膜（80nm），在TiO2薄膜上濺射黃鐵礦結構的FeS2膜（20nm），經硫氣氛退火處理得到TiO2/ FeS2復合膜，與對電極一同浸在電解液（I-/I）中，當光照強度為150mWcm-2、受光面積為2cm2時，獲得堿性電解液（pH=12）中的開路電壓為178mV，酸性電解液（pH=1）中的短路電流為47uA[3]。

張秀娟等人探索性地制備了，TiO2/ FeS2復合電極液態太陽能電池，測試了電池的光電轉化效率，最高開路電壓為33mV ，最高短路電流為63.6uA，最高轉換效率為0.1%。隨薄膜厚度減小，開路電壓升高、短路電流先下降后上升，光電轉化效率先上升后下降[4]。

劉艷輝等人將 TiO2/ FeS2復合薄膜作為光陽極，以0.1M KI/0.1M I2溶液為電解液，鉑對電極作為光陰極，制成納米晶敏化太陽能電池。當電解液為中性（pH=7）時，電池的開路電壓較高。隨FeS2薄膜厚度減小，開路電壓升高。當FeS2薄膜厚度d=540nm時，短路電流最大[5]。

黃偉等人發現，制備的TiO2/ FeS2復合薄膜，即FeS2納米晶敏化太陽能電池，由于內阻太高，填充因子偏小，光伏曲線基本為直線。電池的開路電壓與短路電流受電解液的pH值的影響較大，中性電解液（pH=7）的開路電壓大于酸性電解液（pH=1）的開路電壓，隨著薄膜厚度的減小，pH值對開路電壓的影響越來越明顯[6]。

羅玲莉等人，通過觀察FeS2添加濃度對納米晶聚合物太陽能電池光電性能的影響，得到結論，當FeS2添加濃度為1.25g/L時，光電轉化效率最高，可達3.0%。電池保存三個半月后光電轉化效率為2.5%，仍然保留原光電轉化效率的83.3%，在20-80℃溫度下工作，電池光電性能穩定。在5×102-2×103W/m2不同強度的光照下，FeS2納米晶聚合物太陽能電池光電轉化效率系數穩定在正負20.8%[7]。

4 結論與展望

黃鐵礦的優異性能使其成為太陽能電池材料中及具有可觀發展前景的材料。FeS2薄膜太陽能光電轉化效率理論值為15%～20%，目前只能達到3%，與理論值相差較大。由于存在雜質、空位、結構缺陷、非FeS2化學計量比的過度相、表面結構激變等原因均可改變材料能級分布，影響電子的遷移、載流子的活動狀態，導致光電性能差，光電轉化效率低。作為光敏化劑，制備工藝對光電特性影響較大，任何一步實驗操作的改變均會對微觀形貌、粒度密度等參數有較大影響。這就要求今后的研究工作中優化太陽能電池的各個部分，以提高電池制備方法。另外，如何制備大面積、牢固、質量好、成本低的FeS2，并將其投入太陽能電池系統的工業大規模生產，仍然需要更加深入的研究。

【參考文獻】

[1]靳世東.黃鐵礦的預處理及其電化學性能研究[D].廣東工業大學，2011.

[2]張晨寧，胡志強，劉麗紅，蘇巖，鞏翠翠，李璞. 浸漬法制備色素增感太陽電池FeS_2/TiO_2復合薄膜[J].電源技術，2008，08：532-535.

[3]陳章其，林云，倪明生.FeS_2/TiO_2復合膜的制備及光伏特性的研究[J].太陽能學報，1999，02：64-70.

[4]張秀娟.厚度和基底對FeS_2薄膜結構和性能的影響[D].浙江大學，2003.

[5]劉艷輝.FeS_2薄膜制備及光電性能[D].浙江大學，2006.