Pandangan: 0 Pengarang: Editor Tapak Menerbitkan Masa: 2025-02-03 Asal: Tapak
Titanium dioksida (TiO₂) telah lama diiktiraf untuk pelbagai aplikasi, mulai dari pigmen dalam cat dan salutan kepada photocatalysts untuk pemulihan alam sekitar. Dalam tahun -tahun kebelakangan ini, terdapat minat yang semakin meningkat dalam meneroka aplikasi baru yang berpotensi dalam bidang tenaga. Ini disebabkan oleh sifat fizikal dan kimia yang unik yang menjadikannya calon yang menjanjikan untuk pelbagai teknologi yang berkaitan dengan tenaga. TiO₂ adalah serbuk putih, tidak berbau, dan kristal yang sangat stabil, secara kimia tidak aktif dalam keadaan normal, dan mempunyai indeks refraktif yang tinggi. Ciri -ciri ini, bersama -sama dengan kelimpahannya dan kos yang agak rendah, telah mendorong para penyelidik untuk menyiasat bagaimana ia dapat menyumbang kepada pembangunan penyelesaian tenaga yang lebih efisien dan mampan.
Salah satu sifat utama TiO₂ yang berkaitan dengan aplikasi tenaga ialah bandgapnya. Bandgap TiO₂ biasanya sekitar 3.0 - 3.2 eV untuk fasa anatase dan rutil, yang merupakan struktur kristal yang paling biasa. Ini bermakna ia dapat menyerap cahaya ultraviolet (UV) dengan panjang gelombang lebih pendek daripada kira -kira 400 nm. Apabila foton tenaga yang mencukupi diserap, elektron dalam jalur valensi TiO₂ boleh teruja dengan band konduksi, mencipta pasangan lubang elektron. Proses ini adalah asas bagi banyak aplikasi yang berkaitan dengan tenaga seperti fotokatalisis dan fotovoltaik. Sebagai contoh, dalam photocatalysis, pasangan lubang elektron ini boleh bertindak balas dengan molekul air dan oksigen pada permukaan TiO₂ untuk menghasilkan spesies oksigen reaktif (ROS) seperti radikal hidroksil (• OH), yang boleh digunakan untuk memecahkan bahan cemar organik atau memecah air untuk menghasilkan hidrogen.
Satu lagi harta yang penting ialah kawasan permukaan yang tinggi kepada nisbah kelantangan. Nanostructured TiO₂, seperti nanopartikel, nanotube, dan nanowires, boleh mempunyai kawasan permukaan yang sangat besar. Ini membolehkan lebih banyak tapak aktif untuk reaksi berlaku. Sebagai contoh, dalam sel solar yang sensitif (DSSC), kawasan permukaan besar nanopartikel TiO₂ yang disalut dengan pewarna boleh menyerap sejumlah besar molekul pewarna, yang seterusnya dapat menyerap pelbagai spektrum solar berbanding dengan hanya TiO₂ sahaja. Penyerapan cahaya yang dipertingkatkan ini membawa kepada kecekapan penukaran tenaga solar yang lebih baik ke dalam tenaga elektrik.
Dalam bidang photovoltaics, TiO₂ telah diterokai dengan cara yang berbeza. Salah satu aplikasi yang menonjol adalah dalam sel solar yang sensitif (DSSCs). Dalam DSSC, nanopartikel TiO₂ biasanya digunakan sebagai elektrod semikonduktor. Molekul pewarna diserap ke permukaan nanopartikel TiO₂. Apabila cahaya matahari menyentuh sel, molekul pewarna menyerap foton dan memindahkan elektron teruja ke jalur konduksi TiO₂. Elektron ini kemudian mengalir melalui litar luaran, menghasilkan arus elektrik. Penyelidikan telah menunjukkan bahawa kecekapan DSSC menggunakan TiO₂ boleh mencapai sehingga 11 - 12% di bawah keadaan yang optimum. Sebagai contoh, sel Grätzel, yang merupakan sejenis DSSC, telah menunjukkan prestasi yang menjanjikan dengan elektrod berasaskan TiO. Walau bagaimanapun, masih terdapat cabaran untuk diatasi, seperti meningkatkan kestabilan jangka panjang sel dan meningkatkan lagi kecekapan penyerapan cahaya dengan mengoptimumkan gabungan pewarna dan TiO₂.
TiO₂ juga telah disiasat untuk digunakan dalam sel solar perovskite. Dalam sel -sel ini, TiO₂ boleh digunakan sebagai lapisan pengangkutan elektron. Ia membantu mengangkut elektron yang dihasilkan dengan cekap dalam lapisan perovskite ke litar luaran. Kajian telah menunjukkan bahawa penggunaan TiO₂ dalam sel solar perovskite dapat meningkatkan kecekapan dan kestabilan keseluruhan sel. Sebagai contoh, dengan berhati -hati mengawal ketebalan dan kualiti lapisan TiO₂, para penyelidik dapat mencapai kecekapan penukaran kuasa yang lebih tinggi. Dalam sesetengah kes, penambahan lapisan TiO₂ telah meningkatkan kecekapan sel suria perovskite dengan beberapa mata peratusan.
Photocatalysis menggunakan TiO₂ adalah kawasan yang dipelajari dengan banyak aplikasi berpotensi dalam bidang tenaga. Salah satu aplikasi utama ialah pemisahan air untuk menghasilkan hidrogen. Apabila TiO₂ disinari dengan cahaya UV, seperti yang dinyatakan sebelum ini, pasangan lubang elektron dijana. Pasangan lubang elektron ini boleh bertindak balas dengan molekul air pada permukaan TiO₂ untuk menghasilkan gas hidrogen dan oksigen. Walau bagaimanapun, kecekapan proses ini pada masa ini agak rendah disebabkan oleh pelbagai faktor seperti penggabungan pasangan elektron-lubang sebelum mereka dapat mengambil bahagian dengan berkesan dalam tindak balas pemisahan air. Penyelidik sedang berusaha untuk mengatasi masalah ini, seperti doping TiO₂ dengan unsur-unsur lain untuk mengubah suai sifat elektroniknya dan mengurangkan rekombinasi pasangan elektron.
Satu lagi aplikasi photocatalytic penting adalah dalam kemerosotan bahan pencemar organik di dalam air atau udara. TiO₂ boleh digunakan untuk memecahkan sebatian organik menjadi molekul yang lebih kecil dan kurang berbahaya. Sebagai contoh, dalam loji rawatan air sisa, photocatalyst berasaskan TiO₂ telah diuji untuk menghilangkan bahan pencemar seperti pewarna, racun perosak, dan farmaseutikal. Dalam satu kajian, didapati bahawa photocatalyst TiO₂ mampu merendahkan lebih daripada 80% daripada bahan pencemar pewarna tertentu dalam masa beberapa jam penyinaran dengan cahaya UV. Ini menunjukkan potensi fotokatalisis TiO₂ untuk pemuliharaan alam sekitar dan pemuliharaan tenaga, kerana ia dapat mengurangkan keperluan untuk kaedah rawatan tradisional yang berintensifkan tenaga.
TiO₂ juga telah menunjukkan janji dalam bidang penyimpanan tenaga. Dalam bateri lithium-ion, misalnya, TiO₂ boleh digunakan sebagai bahan anod. Berbanding dengan anod grafit tradisional, TiO₂ mempunyai kelebihan tertentu. Ia mempunyai kapasiti teoretikal yang lebih tinggi untuk penyimpanan litium, yang bermaksud ia berpotensi menyimpan lebih banyak ion lithium. Di samping itu, TiO₂ lebih stabil semasa kitaran pengecasan dan pelepasan, mengurangkan risiko pelarian haba dan meningkatkan keselamatan bateri. Walau bagaimanapun, terdapat juga cabaran dalam menggunakan TiO₂ sebagai bahan anod. Kekonduksian elektrik yang agak rendah berbanding grafit memerlukan penggunaan bahan tambahan konduktif atau teknik nanostructuring untuk meningkatkan kecekapan pemindahan caj. Dalam beberapa kajian, tio₂ nanostructured, seperti tio₂ nanotubes, telah terbukti telah meningkatkan sifat elektrokimia untuk anod bateri lithium-ion.
Dalam supercapacitors, TiO₂ juga boleh memainkan peranan. Supercapacitors adalah peranti penyimpanan tenaga yang boleh memberikan kitaran caj dan pelepasan yang cepat. TiO₂ boleh digunakan sebagai bahan elektrod atau sebagai komponen dalam komposit elektrod. Kawasan permukaan yang tinggi dan sifat kimia yang stabil menjadikannya sesuai untuk aplikasi supercapacitor. Sebagai contoh, apabila nanopartikel TiO₂ dimasukkan ke dalam elektrod supercapacitor, mereka boleh meningkatkan kapasitansi peranti dengan menyediakan lebih banyak tapak aktif untuk penyimpanan caj. Kajian telah menunjukkan bahawa penggunaan TiO₂ yang betul dalam supercapacitors dapat meningkatkan ketumpatan tenaga dan ketumpatan kuasa peranti, menjadikannya lebih kompetitif dalam pasaran penyimpanan tenaga.
Walaupun terdapat banyak aplikasi yang berpotensi dalam bidang tenaga, terdapat beberapa cabaran dan batasan yang perlu ditangani. Salah satu cabaran utama ialah julat penyerapan yang agak sempit dalam spektrum solar. Seperti yang dinyatakan sebelum ini, TiO₂ terutamanya menyerap cahaya UV, sementara sebahagian besar tenaga suria berada di kawasan yang kelihatan dan inframerah. Ini mengehadkan kecekapannya dalam aplikasi penukaran tenaga solar langsung seperti photovoltaics. Untuk mengatasinya, para penyelidik meneroka kaedah seperti doping tio₂ dengan unsur -unsur lain untuk mengalihkan jalur penyerapannya ke julat yang kelihatan atau menggabungkannya dengan bahan -bahan lain yang dapat menyerap cahaya yang dapat dilihat dengan lebih berkesan.
Satu lagi cabaran ialah penggabungan pasangan elektron lubang dalam aplikasi photocatalytic dan fotovoltaik. Seperti yang diterangkan sebelum ini, apabila pasangan lubang elektron dijana, mereka sering digabungkan sebelum mereka dapat digunakan sepenuhnya untuk reaksi atau penjanaan elektrik. Ini mengurangkan kecekapan proses. Strategi seperti doping, pengubahsuaian permukaan, dan nanostructuring sedang digunakan untuk mengurangkan rekombinasi pasangan elektron, tetapi lebih banyak penyelidikan diperlukan untuk mencapai hasil yang optimum.
Dari segi aplikasi penyimpanan tenaga, kekonduksian elektrik yang agak rendah TiO₂ adalah kelemahan yang ketara. Seperti yang disebutkan dalam contoh bateri lithium-ion dan supercapacitor, meningkatkan kekonduksian elektrik TiO₂ adalah penting untuk prestasi yang lebih baik. Ini memerlukan penggunaan aditif konduktif atau teknik nanostructuring yang lebih maju, yang boleh menambah kerumitan dan kos kepada proses pembuatan.
Terdapat banyak arah masa depan yang menarik dan peluang penyelidikan untuk TiO₂ dalam bidang tenaga. Satu bidang tumpuan dapat meningkatkan lagi penyerapan cahaya yang dapat dilihat dari TiO₂. Dengan membangunkan teknik doping baru atau bahan komposit yang dapat meningkatkan penyerapannya dalam julat yang kelihatan, kecekapan aplikasi fotovoltaik dan photocatalyticnya dapat dipertingkatkan dengan ketara. Sebagai contoh, menggabungkan TiO₂ dengan bahan plasmonik yang dapat meningkatkan penyerapan cahaya melalui resonans plasmon permukaan boleh menjadi pendekatan yang menjanjikan.
Satu lagi peluang penyelidikan terletak pada mengoptimumkan struktur nano untuk aplikasi tenaga yang berbeza. Dengan mengendalikan saiz, bentuk, dan susunan struktur nano, adalah mungkin untuk meningkatkan lagi sifat mereka seperti kawasan permukaan, penjanaan pasangan elektron, dan kecekapan pemindahan caj. Sebagai contoh, fabrikasi nanotube TiO₂ dengan diameter dan panjang tertentu dapat mengoptimumkan prestasi mereka dalam anod bateri lithium-ion atau elektrod supercapacitor.
Di samping itu, meneroka potensi TiO₂ dalam teknologi tenaga baru seperti sel bahan api dan peranti thermoelectric boleh membuka jalan baru untuk permohonannya. Sebagai contoh, dalam sel bahan bakar, TiO₂ berpotensi digunakan sebagai sokongan pemangkin atau bahan elektrod. Dalam peranti termoelektrik, sifat terma dan elektrik yang unik dapat dieksploitasi untuk meningkatkan kecekapan penukaran haba ke elektrik. Secara keseluruhannya, penyelidikan berterusan mengenai TiO₂ dalam bidang tenaga mungkin menghasilkan banyak pandangan dan aplikasi yang berharga pada tahun -tahun akan datang.
Kesimpulannya, titanium dioksida telah menunjukkan potensi besar untuk aplikasi baru dalam bidang tenaga. Ciri-ciri uniknya seperti bandgapnya, kawasan permukaan yang tinggi, dan kestabilan kimia menjadikannya calon yang sesuai untuk pelbagai teknologi yang berkaitan dengan tenaga termasuk fotovoltaik, fotokatalisis, dan penyimpanan tenaga. Walau bagaimanapun, terdapat juga cabaran dan batasan yang perlu diatasi, seperti pelbagai penyerapan sempit, rekombinasi pasangan elektron, dan kekonduksian elektrik yang agak rendah. Melalui penyelidikan dan pembangunan yang berterusan, memberi tumpuan kepada bidang -bidang seperti meningkatkan penyerapan cahaya yang dapat dilihat, mengoptimumkan struktur nanos, dan meneroka aplikasi baru dalam teknologi tenaga yang baru muncul, diharapkan titanium dioksida akan memainkan peranan yang semakin penting dalam mengejar penyelesaian tenaga yang lebih efisien dan mampan.
