文摘
二氧化钛纳米管阵列(TNAs)作为热纳米材料有一个独特的高度有序阵列结构和良好的机械和化学稳定性,以及良好的防腐,生物相容性,光催化性能。编造了一个灵巧的电解质的电化学阳极处理包含少量的氟石的离子。结合我们的研究工作中,我们审查的新研究成果的最新进展TNAs制备过程,形成机制,修改。此外,我们将审查潜在的和重要的应用程序的光催化降解污染物、太阳能电池、水分离,和其他方面。最后,这个新生的的存在的问题和进一步的前景和快速发展的领域也简要解决和讨论。
1。介绍
纳米材料特有的属性是不会批量阶段,已经导致了科学技术在各个领域的一个突破。此外,当前的兴趣的一维纳米结构,如纳米管、纳米线、奈米棒,和纳米带,是由碳纳米管的发现与饭岛爱等人于1991年(1]。在这些纳米结构材料,TiO2基于纳米管吸引了引人入胜的兴趣和密集的研究由于其比表面积高、ion-changeable能力,光催化能力。在过去的几十年中,来自TiO纳米材料2对于许多应用前景广泛的被调查,包括太阳能电池/电池,自洁涂料、电致发光混合设备,光催化,由于其独特的化学和物理行为。目前,发达国家制造TiO的方法2基于碳纳米管组成assisted-template方法(2,3),热液治疗(4- - - - - -6),和电化学阳极氧化(7- - - - - -10]。每个制造方法具有独特的优点和功能特性和比较这些方法之一。关于template-assisted方法,阳极氧化铝(氧化铝)纳米多孔膜,由一组平行的直线与可控纳米孔直径和长度,通常是用作模板。然而,template-assisted方法经常遇到的困难前模板和预制和postremoval通常会导致杂质。关于热液治疗,自组装TiO2纳米管是基于Ti衬托或TiO的治疗2粉末在严格封闭的容器包含高度集中氢氧化钠溶液(5 - 10米)获得TiO2纳米管层或TiO2的粉(6,11]。这些方法,除了电化学阳极氧化,不适合快速生产或明显的屈服TiO制服2纳米管垂直对齐。TiO的证明体系结构2纳米管阵列(TNAs)的电化学阳极氧化过程的有序排列具有高纵横比和纯相位TiO的建立2周围的环境下结构在一个步骤。更重要的是,电化学阳极处理技术允许其他与self-ordering氧化物纳米结构的生长数过渡和阀金属,如铝、锆、高频、Nb,助教,W和铁及其合金钛铝合金,TiZr TiNb、钛6艾尔4V,等等8,10]。
1999年,Zwilling等人首先报道了self-ordered TiO2氟化纳米结构通过一个简单的电化学阳极氧化过程中电解液(12]。自那时以来,一些阳极氧化方法,主要集中在寻找最佳的电解质和实验参数,一直在探索有效地实现高质量的自组织TNAs(图1)[13- - - - - -18),如短和粗TNAs [13),锥形和圆锥形TNAs18],光滑high-aspect-ratio TNAs [16,17],透明TNAs [19,20.自立式和开放式TNAs [],21,22),高度有序的TNAs通过多步阳极处理(23,24),和TNAs亚微米直径的大小(25,26]。这些结果表明TNAs的结构和形态,包括管直径,长度,壁厚,和结晶度,可以控制通过调整关键参数如成分/钛衬底的形状,电解质,pH值、温度、阳极氧化电压、电流、阳极处理时间。因此,必须了解各种影响因素和非晶TNAs的特征。同时,应该注意的是,退火后处理或TiO的修改2基于碳纳米管将主导TiO的相应的功能和性能2的设备。目的是使材料更适合各种应用程序依赖于特定的电气、光学、化学性质。针对电子性能,退火晶体结构主要是改变了电导率和终身的运营商,而修改活跃掺杂或带隙工程通过引入其他元素的减少目标光学带隙,从而使可见光光敏反应(27]。
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基于大量的文献关于self-ordered TNAs,作者有分类三大组,准备和形成机制,修改,和应用程序,它们进一步细分根据他们的相关研究。首先,纳米孔的形成机制和电化学现象的形成和纳米管self-ordering过程解释道。在上述实验参数,阳极氧化电压和电解液将关注和讨论。然后TNA的属性和修改材料简要讨论,包括技术掺杂的例子,高贵的金属装饰,和半导体复合讨论。最后,当前阶段的知识和最近的研究对其潜在的应用,如光催化、太阳能电池、水分离,介绍了其他方面。物理化学性质的分析,最近的进步他们的改性和应用程序允许我们在知识方面的识别和强调需要研究领域的TNAs至关重要。
2。电化学阳极处理的TNAs
本节介绍了最近的进展self-ordered TiO的准备2纳米多孔nanotubular,主要集中在TNAs通过电化学合成。首先,论文的相关统计TNAs和电化学现象纳米多孔TiO的形成2介绍了材料的自组织过程。然后合成的一些实验参数,负责监管TiO的形态2纳米结构,被认为是。最后,TNA材料制作的形成机理提出了电化学阳极处理。
逐步增加研究兴趣TNA层形成的电化学氧化可以很容易地从发布统计数据(见图2)。出版数量和相应的聚合引用几次从第一个工作增加了Zwilling et al。12),只有几百纳米管长度的一个粗略的和高度的失调形态可以获得,到如今,光滑,几乎理想的六角有序的数组可以产生数百微米的单个纳米管长度(22]。换句话说,通过控制Ti的电化学阳极处理参数(温度,潜在的增加速度,应用潜力,电解液种类、电解液的pH值、粘度、水或有机电解液,等等),可以获得不同的氧化钛结构如氧化平面紧凑,无序多孔层,高度自组织多孔层,或最后一个高度自组织纳米管层(示意图如图3(一个))。
(一)
(b)
(一)设置和mophology
(b) F−离子电解液
F (c)−自由电解质离子
2.1。TNAs制造的影响因素
2.1.1。电解液
氢氟酸(HF)是首先和最广泛的研究了电解液在生产TiO钛阳极处理2纳米结构。自那时以来,一些优化电解质的多元酸/高频混合电解质提出TiO的成功的制造2纳米结构(14]。简要总结各种合成代TNAs表给出1。然而,在这第一代合成纳米管长度是有限的到几百纳米。第二代TNAs获得非常高的长宽比,在一种中性电解液含氟离子,例如,Na2所以4/氟化钠(NH)4)2所以4/ NH4F (28,29日]。管道长度增加的原因是有限的溶解的碳纳米管在中性电解质。上述无机电解质的纳米管总是伴随着一个粗略的外部结构,也就是说,“环”或“涟漪”,由于电流振荡在阳极处理过程。第三代电解质、有机电解质的添加氟盐,允许建设的顺利和高多了TNAs数百微米的政权。到目前为止,最高管长度可达1000μ米在有机粘性电解质(22]。电解液的pH值和水量大大影响形态,结构,初纺TiO的增长率2纳米管。最近的综合开发利用fluoride-free TNAs电解质一般被认为是第四代。这种快速分解的结果阳极处理(RBA)也包无序纳米管生长在非常短的时间(几分钟)30.,31日]。取决于电解液性质,每个电解液提供了一个独特的纳米管的几何特征,因此不同表面性质;因此,选择电解质介质的TNA制造是一个主要的问题。
2.1.2。电压
阳极处理电压影响的形态形成的纳米结构(34]:毛孔而不是管生长在低电压5 V(图3(b1)),同时,在电压高于8 V, TiO的直径2纳米管也影响了应用线性的电压(图3(b2))。然而,在阳极处理高电压(> 50 V),故障事件可以观察到纳米管内部导致像海绵一样的结构(图的形成3(b3))。在更高的阳极氧化电压(> 80 V),电解抛光的样品将在高电流密度(> 100厘米−2在这个电解质)。因此,故障事件发生的缺陷是重要的创建一个更大的管的直径。阴等人报道,TNAs大直径约600海里可以获得乙二醇电解质包含氟化铵和10卷% 0.09米水(35]。Albu Schmuki进一步增加管直径达到800海里。然而,这些管子不是高度有组织的和看起来松散聚集在介孔纳米管阵列(定义矩阵而不是在一个整齐36]。最近,镍等人成功地展示了定义良好的,大直径(680 - 750 nm) TNAs,最统一的和干净的形态通过使用一个高电压225 V的政权(25]。
2.1.3。其他因素
除了电解液的重要因素和电压高纵横比和纳米管的阳极氧化时间和步骤,氟化物浓度、pH值和温度也有一个伟大的协同效应在形态、结构、生长速率、结晶,甚至做好准备的光电化学性质TNAs [8,37- - - - - -42]。例如,从多孔TiO的转变2nanotubular结构不仅依赖水分含量(43,44),但也取决于阳极氧化电压。应用电压直接决定了管直径也强烈影响TNAs增长率、长度和结晶。
2.2。阳极氧化膜TNAs的增长机制
自组织氧化管阵列或孔阵列可以通过一个合适的金属的阳极处理过程,如过渡金属和金属阀门。当金属暴露在足够阳极电压在一个电化学配置,就会启动一个氧化过程。这主要取决于电解液和特殊阳极处理参数,本质上存在三种可能的反应(见插图图3(一个)):(I)金属不断溶解(金属腐蚀或电解抛光),(2)金属钛离子()与O反应形成的2−(由H提供2O在电解液)和形式紧凑的氧化层,和(3)在电化学条件下,建立了溶解和氧化形成之间的竞争导致多孔结构。更具体的实验条件下,建立了TNAs自组织生长,形成厚自组织介孔层((IV)图3(一个)),或无序急速的变局阳极处理(RBA)纳米管包((V)的数据3(一个)和3 (c))可以观察到10]。
一般来说,可以得出的结论是,所有调查组织结构增加了阳极化氧化fluoride-containing电解质在不同金属或合金似乎遵循相同的生长机理和影响的关键因素(7,8,10]。Ti是首先被氧化形成薄氧化层TiO的障碍2由于相互作用的金属O2−或哦−离子。然后,电场和氟离子的存在导致随机坑和小孔的创建。津贴的最后,self-ordered TNAs形成了最优毛孔不断增长和厚壁将化学溶解。管直径是由阳极处理电压决定的,腐蚀的管道(因此可实现管长度)取决于抗化学腐蚀对氟的氧化腐蚀(在一个特定的电解液),和水所起的关键作用,为管增长提供氧源,将毛孔分为管,以及负责井壁环的形成。显然,阳极化技术在fluoride-containing电解质允许制造纳米氧化层在一个非常广泛的阀金属和合金,使混合纳米氧化物的可控制备与几乎无限可能创建增强属性,因此也非常高,广泛的未知的技术潜力。
3所示。修改TNA
TiO2半导体材料中扮演最重要的角色因其良好的化学和物理性质。然而,较高的退火TiO的带隙2在价带(VB)和导带(CB)使他们不活跃的可见光照射下(图4(一))。在这方面,已尽最大努力的吸收波长范围扩展到可见光范围通过修改的电子和光学性质。在过去的十年中,相当大的努力进入TiO的修改2利用太阳光谱好多了。例如,染料敏化和兴奋剂TiO2使用非金属离子或金属阳离子的典型方法之一,主要应用(图4 (b))。耦合TiO2窄禁带半导体代表另一种方法(图4 (c))。装饰的贵金属粒子与表面等离子体效应允许更有效的电荷转移(图4 (d))。在所有这些情况下,基本上三个有利影响预计:(1)促进电子空穴之间的photogenerated分离(e−/小时+)和防止其重组,(2)表面等离子体效应,导致附近的场增强贵金属粒子,从而允许更有效的电荷转移和有效可见光吸收,和(3)异质结的形成,改变了能带弯曲(金属集群在半导体)或提供适合协同的能量吸收和电荷分离为提高太阳能的利用率。
(一)
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3.1。兴奋剂
掺杂或纯TiO敏化2通过引入二次电子活性物种为敏化TiO晶格2可见光,这促进了利用太阳光谱的主要范围,也可以确保有效photogenerated携带的电荷捕获分离(图4 (b))。朝日等人首先报道,TiO的氮掺杂2溅射的含氮气体混合物提高可见光辐照下的光电化学反应(45]。在接下来的几年里,其他兴奋剂物种,比如大量的非金属矿物像碳46,氟47),硫(48],[硼49),已被引入TiO2通过使用不同的技术。结果表明,这些掺杂的可见光吸收和光电化学活动结晶TNAs不仅受到能源缺口和杂质的分布状态,但也受到Femi的位置水平和能量带隙边缘的50,51]。在所有这些阴离子,TNAs掺杂的氮或碳被发现备受关注52- - - - - -59]。高度承诺TNAs N-doping方法包括一步直接电化学阳极处理锡合金或增长TNAs在溶液中含有兴奋剂种类(59]。高能离子注入和溅射的氛围中掺杂物种在退火过程已被证实是一种有效的掺杂方法(60,61年]。然而,这些方法需要特殊高能加速器在高真空环境中操作和掺杂深度是有限的几个微米。热处理TNAs掺杂气体氛围的物种被认为是一种温和的一步掺杂技术(62年,63年]。此外,这些基团碳纳米管相比,显示了一个明显可见的光响应范围nonmodified纳米管。
与此同时,TiO2掺杂过渡金属阳离子(如铁、V、Cr和Mn) (64年- - - - - -66年)也被报道扩大可见光吸收范围,增加photogenerated自由基的氧化还原电位,提高转换效率通过扩展photogenerated电子和空穴的寿命。尽管TiO的金属阳离子掺杂2提高主人的可见光吸收材料来提高光催化活性,大量研究也得出结论,当掺杂含量过高时,额外的缺陷也可以作为复合中心,降低了光催化活性。这种不利影响可以避免由合适的掺杂量或掺杂TiO退火2。
3.2。半导体复合材料
在过去的十年里,许多努力一直致力于扩展TNAs的光吸收范围和缓解电荷载体复合,如半导体异质结构的形成与可见光兴奋窄带隙半导体(图4 (c)),例如,cd, CdSe等等67年- - - - - -69年]。然而,它必须在稳定预期,许多应用窄带隙半导体迅速失败,不仅由于腐蚀或photocorrosion,而且由于不稳定的一些材料在外加电压下(70年]。
TNAs本质上提供了一个非常通用的工具来填补或装饰其他半导体形成复合电极(71年- - - - - -73年]。最随访计划建立高效photoelectrocatalytic pn垂直装置p型半导体的直接沉积到TNAs [74年,75年]。例如,王等人准备铜2O / TiO2通过沉淀p型铜pn异质结光电极2纳米颗粒对n型TiO O2纳米管阵列通过ultrasonication-assisted顺序化学浴沉积(数字5(一)-5(D))76年]。很大程度上改善了分离photogenerated电子和空穴被光电流测量显示。因此,pn铜2O / TiO2异质结光电极表现出更有效的比单身TiO photoconversion能力2纳米管(图5(E))。此外,铜2O / TiO2复合光电极也拥有优越的photoelectrocatalytic活动和若丹明B稳定退化与电能之间的协同效应和可见光照射(数字5(F) -5(H))。
TiO2可以获得纳米颗粒装饰TNAs TiCl缓慢水解4前体(20.]。在DSSCs TNAs装饰着TiO2纳米颗粒显示较高的太阳能电池效率相比纯TNAs。TiO的2纳米颗粒可以沉积内部以及外部的管壁TiCl水解4解决方案,大大增加了表面积,从而提高太阳能电池的效率(77年]。
3.3。贵金属纳米颗粒装饰
另一种方法与TiO有关2修改TiO的装饰2贵金属纳米颗粒的表面(如Ag)、非盟、Pt、Pd、或合金)。贵金属负载是被证明是一种有效的方法抑制photogenerated电子/空穴对复合的导致photoelectrocatalytic活动增强(图4 (d))[78年- - - - - -83年]。此外,最近的研究表明,贵金属纳米颗粒可以改善TiO的光响应能力2可见地区基于表面等离子体共振(SPR) [84年,85年]。众所周知,金属的自由电子的集体振荡引起的光照射;当光的振荡频率电磁场是依照自由电子,SPR效应生成和光能耦合到金属纳米颗粒。例如,Ag纳米粒子可以沉积在管壁的保留TiO减少的过程2表面与紫外线光照(86年]。其他金属纳米粒子是最好通过特高压蒸发沉积,溅射或化学/电化学沉积技术(78年,87年]。Pt / TiO2或Pd / TiO2纳米管还显示了一个更高的光催化活性和水分离性能与纯碳纳米管(79年,80年]。
3.4。其他方面
最近的工作处理装饰与字母(88年,89年],Ag / AgCl [85年),或AgBr [90年)到TiO2以提高其光催化活性。非晶碳纳米管合成了室温电化学阳极处理也在富氧退火(O2)、缺氧的(Ar、N)和减少(H2)环境中,修改TiO2晶体结构、形态和电子性质。
4所示。TNA材料的应用
多孔和管状二氧化钛纳米结构已经引起了极大的兴趣,因为他们的应用程序在光催化,太阳能电池(太阳能电池),水分解,生物支架,润湿模板,和其他方面。这种多孔TiO2这些应用程序的材料是可取的,因为它的多功能半导体属性基于其优良的物理和化学行为,以及其特殊的纳米结构,拥有高表面积、高的表面活性和快速传输路径。
4.1。光催化剂
其中一个最TiO的实际应用2今天是在光催化有毒污染物分解。后Fujishima和本田首次报道了光致水电化学TiO的光解2表面,这种功能的半导体材料已经深入追究在多相催化中的应用(91年]。从那时起,TiO2已经证明是一个优秀的光催化剂由于材料已经设置好属性的长期稳定、低成本的制备,和一个足够强大的氧化分解的能力非常有用的有机化合物(92年- - - - - -96年]。
光催化机制所涉及的基本原理如图所示6。紫外线能促进从价带电子兴奋传导带,然后分开空穴和电子会被输送到semiconductor-environment接口和与吸附分子反应。在水溶液中,高活性•哦,自由基产生电荷交换价带(H2O + h+→•哦),而激发电子在导带主要是减少溶解氧气分子超氧阴离子(O2+ e−→)。这些•哦,自由基和离子几乎能够氧化有机材料有限公司2和H2O。
(一)
(b)
(c)
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在许多TiO2纳米管的制备策略,电化学阳极处理过程简单,廉价,快速增长的方法已被广泛用于大型TiO的准备2碳纳米管可控大小和形态13,15,28]。然而,表面光滑,相对低表面积,和获得的阳极TiO的无定形结构2纳米管导致光利用率和photogenerated电荷分离效率低,从而导致穷人光催化活性(92年]。许多一直努力提高阳极TiO的光催化活性2纳米管。例如,阳极TiO的退火2纳米管在传统空气环境有助于将无定形TiO2锐钛矿,这可以有效地提高光催化性能(93年]。为了达到最大分解效率,除了结晶TNAs与足够的带边位置,快速的电荷分离,和高量子产率,需要大面积的催化剂。结晶TNAs与合适的后处理流程适合这些要求相对(92年- - - - - -94年,97年]。在以前的工作中,我们使用锐钛矿TNAs光电阳极和验证,这样的小说TNAs显示更高的效率比普通TiO2纳米粒子催化剂(图6 (b)- - - - - -6 (d))[93年]。此外,退火温度也大大影响了晶体结构和TNAs催化活性的96年,98年,99年]。
今天,许多后处理方法建设的高效TNAs光催化剂,如在特定气氛退火(One hundred.,101年),热液治疗(102年,103年),和vapor-thermal治疗(104年),通常用于合成特殊结晶TNAs高设备的性能。退火阳极TNAs通过导数退火方法在一个密封的容器与特定的环境中,如富氧(O2)、缺氧的(Ar, N),和其他减少(H2)气体,可以修改TNAs晶体结构,形态和电子性质和影响光催化性能(105年- - - - - -107年]。然而,这种方法是昂贵和具有较高的能源消耗。最近,相当大的努力已经转移到建设的层次体系结构的基础上,1 d TNA纳米结构模板。例如,一个简单的热液治疗采用降低热处理温度对锐钛矿TiO的建设2纳米结构由于无定形阳极TNAs dissolution-recrystallization转型,由此而来的层次TiO2建筑装饰着TiO2纳米颗粒具有更高的表面积比光滑TNAs,显示增强光催化性能(103年]。相比heteroelement兴奋剂(如N、F和C) TNAs,最近,原位self-doping homospecies(例如,Ti3 +,和H+)的电化学还原治疗已成为提高TiO的rational解决方案2感光在紫外和可见光区域(105年]。尽管努力贡献了许多组织,精心设计的后处理策略构建所需的晶体结构具有高表面积和锐钛矿相污染物高效降解仍然是一个有吸引力的正在进行的任务。
除了许多阳极TNAs的后处理方法,直接装饰高贵的金属或半导体纳米颗粒的结晶TNAs验证也是有利于催化活性增强(78年,86年,97年,108年,109年]。例如,我们报道了一个脉冲电流沉积Ag纳米粒子改性TNAs被用作光电阳极photoelectrocatalytic分解甲基橙(MO)污染物108年]。在这种情况下,我们发现二氧化钛光催化活性的纳米管层可以显著增加了应用外部偏差(108年]。谢等人进行模型的光催化分解有机污染物(亚甲蓝)自组织TNAs装饰着Ag)和CdS纳米颗粒。的CdS-Ag-TiO2三分量的纳米管阵列系统表现出优越的协同效应在光催化和光电化学纯TiO的活动相比2和Ag)或cd TiO修改2系统(109年]。
4.2。太阳能电池
TiO的最有前途的应用之一2今天是色素增感太阳能电池(DSSCs),在1991年奥雷根和Grӓtzel引入的一个概念(110年]。古典DSSCs操作与烧结或压缩nanoparticulate TiO2层作为电子收集材料。结块TiO相比2纳米颗粒层包含大量的晶界,可以作为复合网站,新架构的TNAs电化学阳极处理已被证实是一个理想的光电阳极photoelectrocatalytic设备由于其电荷收集效率提高和短通路photogenerated激子沿着垂直管导电衬底相一致。因此,它可能会优化TNAs可显著提高太阳能转换效率。
4.2.1。准备涂料太阳能电池(DSSCs)
由于定义的结构参数和增强电子属性,高度有序的TNAs被用来替代TiO2纳米粒子用于DSSCs [111年]。铁道部等人报道TiO的集成2纳米粒子改性透明纳米管阵列长度(360海里)体系结构在fluorine-doped氧化锡(FTO)玻璃前端照亮染料太阳能电池和显示photoconversion效率(PCE) 2.9%(图7(一))[20.]。他们也观察到太阳能电池由长碳纳米管形成的钛箔(背面照明)优越的电荷转移效率和更多的染料吸收相比,太阳能电池用透明短碳纳米管形成在FTO玻璃制作的。然而,涂料TNA的整体功率转换效率的太阳能电池仍然相对较低,由于不完整的报道TNAs染料分子和电解液渗透到纳米管不足。例如,背照式N719 DSSC基于6μ米长TNAs电影钛衬底上显示了PCE 1.5是阳光下的4.24%(图源7 (b))[112年]。进一步提高涂料的性能TNA太阳能电池,努力为了改善染料加载,TiO的电荷传输、光吸收、优化2纳米结构(77年,111年,113年- - - - - -115年]。最近,刘和Misra色素增感太阳能电池和双面TNAs申请有两面的报道,光电流密度的有两面的DSSCs几乎是一边倒的照明(图的两倍7 (c))[115年]。太阳等人证明了一个新的并行配置DSSCs使用双面TNAs光电阳极和介质镜为阳光辐照TNA两岸光电阳极(图7 (d))[116年]。增强光电流增加70%,平均30%的PCE获得相对于单个细胞。郑等人构建一层分层光电阳极TiO组成2粒子和独立式TNAs DSSCs PCE的8.80%,表现出提高聚光效率,电子寿命长,高效电子萃取比在电影单粒子或纳米管阵列为基础的设备(117年]。
(一)
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4.2.2。量子点敏化太阳能电池(QDSSCs)
通常,CdX (X = S、Se和Te)量子点与尺度依赖的带隙提供新的机遇获取光能阴的可见光和红外线地区太阳能灯(118年]。此外,通过碰撞电离效应,可以生成多个激子从量子点单光子吸收的119年]。的激发电子的QDSSCs CdX注入一个大带隙半导体纳米晶体(例如,TiO2和氧化锌),孔氧化还原电对的反应。最近,Sudhagar等人准备了cd / TiO CdSe耦合2nanofibrous电极最大PCE的2.69% (120年),而沈等人伪造CdSe QDs-sensitized TNAs光电极的最佳光伏转换效率1.80%121年]。最近,我们报告说,2.74%的PCE在小说QDSSCs基于量子点cd / CdSe多敏感TiO2纳米晶体阵列的一个密封的退火过程(图8)[67年]。我们发现这种耦合cd / CdSe QDSSC表现出极大地增强了短路电流密度(图8 (e))比纯TNAs和单cd或CdSe QDSSC因为cd和量子点CdSe互补效应获取和表面积增加,并逐步带边沿CdSe /层次结构(电子邮件保护)电子注入TNAs增效。量子点太阳等人报道小说cd敏化TNA光电极由一个连续的化学浴沉积技术,发现之间的量子点cd TNAs显著增加QDSSC效率高达4.15% (122年]。这些结果清楚地表明,独特的纳米结构可以方便的传播和动力分离photogenerated指控,表明潜在的重要应用无机TNA QDSSCs在太阳能电池的应用程序。然而,与PCE DSSCs 12%相比,QDSSCs没有被证明是一种高效无机染料比预期。因此,仍然需要努力抑制半导体表面的电荷复合的效率改进QDSSCs [123年]。
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4.3。水分离
考虑到photoelectrolysis原则与光催化水分解是相同的,TNAs是适合使用高效水分裂(见表2)。使用TiO photoelectrolysis过程2纳米管细胞作为光电阳极如下:当光电阳极浸在水和暴露在光辐照,它吸收了光子能量对其带隙能量;然后,产生电子空穴对。生成的孔氧化O2−离子从水和产生氧气和吸收电流,通过外部电路的导电阴极降低H+离子产生氢气。最近,TNAs由钛阳极处理,引起了广泛的兴趣,光催化水分解。铁道部等人找到一个氢产生率96μ摩尔/ h /厘米2利用纳米管阵列的长度(224海里)对水分裂在恒定电压偏差的−0.4 V(与Ag / AgCl) (124年]。最近,我们报道一个增强氢产生率为150μ摩尔/ h /厘米2通过三步电化学阳极氧化TNAs正则多孔层(数据9(一个)和9 (b))[125年]。此外,我们发现,量子点敏化钯TNAs表现出高效的光催化制氢率592μ摩尔/ h /厘米2在320 mW /厘米2辐照(图9 (c)- - - - - -9 (h))[79年]。在一般情况下,氢气产率大大地取决于电解液,外部偏见,光强度和TiO2形态和结构。因此,重要的是要优化这些参数,从根本上理解他们可能的相关性澄清方法对构建高效氢生成的细胞。
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4.4。其他应用程序
正如上面提到的,另一个特殊TNAs或其他TiO的电化学特性2基于纳米材料的能力作为主机小离子插入,典型的氢离子或锂离子进入晶格,导致电子和光学性质的剧烈变化潜在的应用在锂电池4,136年,137年),电致变色的设备(138年,139年),和超级电容器140年,141年]。动力学、大小和可逆性的离子插入和电致变色的反应强烈依赖于离子扩散长度,因此在电极表面的几何形状。由于TNAs的特定垂直对齐,可以获得非常高的对比使用面向垂直纳米管。TNAs Ag纳米颗粒的沉积,可以创建显示相当大的光致变色材料的对比(142年]。此外,TNA也被证明是很好的支持Pt或Pt /俄文增强甲醇电氧化的催化剂(143年,144年]。
TNAs生物医学植入物的润湿的其他应用程序模板,目标氢传感、电化学检测和photogenerated阴极防腐(145年- - - - - -147年]。例如,有机的结合修改TiO的可控光催化反应2是用于创建微尺度模式与任何所需的表面润湿性的价值。润湿微型图象与不同的物理或化学性质经常充当模板制作各种功能材料在大规模148年]。此外,润湿模式定制和可逆的粘附微流控设备和操纵microdroplet也被报道(149年]。例如,(电子邮件保护)微型图象显示不仅高通量分子传感特性与高灵敏度,可再生的性能,但也显示承诺针对抗菌药物属性(148年]。气体传感,Varghese等人即时显示电阻响应在几个大小顺序TNA层暴露在1000 ppm H2含氮氛围在室温下(145年]。
TNAs的应用可以极大地扩大如果次要材料成功可以存入管。TNAs还可以转化为其他钛MTiO3(M = Sr, Pd, Zr)与特定的生物活性,压电和铁电性质和保持与原管结构通过一个简单的水热过程在相应的前体溶液或直接阳极氧化过程中适当的合金基板(150年- - - - - -153年]。
5。结论
直到现在,大量的基础研究和面向应用的广泛研究和发展是由许多研究者对于这个低维纳米材料由于预期TiO的各种属性2(高表面积和可控纳米管尺寸、几何形状和表面化学)。这项工作的进展提出了电化学阳极氧化膜上制备和改性TNA材料。这些独特的低维的纳米结构材料已被证明有许多有利的潜在应用的属性,包括污染物光催化分解、光伏电池、生物医学支架和润湿模板。另一方面,制造高质量TNAs广泛挑战和发展各种氧化物纳米管一直持续。例如,快速和高效的合成锐钛矿TNAs和其他环境低温条件下多组分纳米管最近报道(154年]。一些其他方面的目标包括TiO的新进展2在光催化或光伏应用的有效利用可见光,强调TiO的未来趋势2在环境和/或能源相关领域,并提出新的研究方向,包括制备方面的发展这个有前途的材料155年]。
确认
作者感谢亚历山大•冯•洪堡基金会(AvH)德国、欧盟Microcare项目(fp7 -人- 2009之下国税局/ 247641),以及中国的江苏省自然科学基金(批准号BK20130313)的金融支持这项工作。我们也承认支持优先级的学术程序开发江苏高等教育机构(PAPD)。