黑色二氧化钛制备与太阳能利用的新进展
来源：上海硅酸盐研究所 | 0评论 | 6353查看 | 2014-05-19 08:57:00
二氧化钛作为重要的新能源和环境保护材料，在光催化、太阳能发电、太阳能集热等方面被广泛应用。然而，二氧化钛的太阳能利用面临巨大的挑战，主要原因在于光吸收范围窄、电子-空穴对的分离效率低。二氧化钛只能吸收太阳光谱中~5%的紫外光，而无法利用可见光和近红外光的能量；本征电导率只有~10-10 S/cm，不利于光生电子-空穴对的分离和传输。这些问题严重影响了二氧化钛在能源与环境领域的广泛应用，无法充分利用太阳能。
氢等离子体还原二氧化钛、吸收光谱、PEC（AFM 2013）
低温铝还原法制备纳米黑钛及其热力学分析（EES 2013）
黑色硫掺杂金红石相二氧化钛制备示意图、吸收光谱和光电转换（JACS 2013）
两步法实现黑色二氧化钛的非金属掺杂（EES 2014）
最近，中国科学院上海硅酸盐研究所与北京大学化学学院开展了合作研究，黄富强、汪宙、杨重寅、林天全等科研人员原创地发展出多种新型制备方法（氢等离子法、铝还原法、二步非金属掺杂法），大幅提高了太阳光谱中可见光和近红外光的吸收，效果明显。这些最新发现的黑色二氧化钛纳米晶，不同于高温氢气还原的黑色氧化钛，为一种核壳结构，核区仍为结晶的二氧化钛，外壳为无定型的结构，其中无序的外壳是使白色二氧化钛变成黑色的功能区域，无序的外壳包含氧空位或非金属X掺杂（X=H、N、S、I）。该结构可导致对太阳光的吸收高达85%，远优于文献报道（30%）。
良好的太阳能宽谱吸收、化学物理稳定性，以及改善的载流子浓度和电子迁移性能，可以满足高效太阳能的要求。其中，氮掺杂的纳米黑色二氧化钛，太阳光催化分解水，产氢率达到15 mmol h-1 g-1，处于报道最优异的可见光催化剂之列；对有机污染物的降解速率是商用纳米二氧化钛（P25）的四倍。黑色二氧化钛纳米管阵列用作光化学电池（PEC）电极，光能向氢化学能转换效率达到1.67%，为二氧化钛基PEC转换效率的最优值。
研究成果被Chemistry Views以Titania: Black is the New White 为题做了新闻专题报道，被认为在新能源（太阳能发电、光催化制氢）和环境（污染物降解、抗菌消毒）领域的应用前景广阔。国际公司与大学已经购买小批量样品，用于环境保护应用。部分研究结果发表在J. Am. Chem. Soc. (2013), Adv. Funct. Mater. (2013),Energy Environ. Sci. (2013, 2014), Chem. Euro. J. (2013)等期刊，已申请发明专利3项。
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