Просмотры: 0 Автор: Редактор сайта Публикайте время: 2025-02-03 Происхождение: Сайт
Диоксид титана (TIO₂) уже давно признан за его разнообразные применения, начиная от пигментов в красках и покрытиях до фотокатализаторов для восстановления окружающей среды. В последние годы растут интерес к изучению его потенциальных новых применений в области энергии. Это связано с его уникальными физическими и химическими свойствами, которые делают его многообещающим кандидатом на различные энергетические технологии. Tio₂ представляет собой белый, без запаха и кристаллический порошок, который очень стабильный, химически инертный в нормальных условиях и имеет высокий показатель преломления. Эти свойства, наряду с его изобилием и относительно низкой стоимостью, побудили исследователей исследовать, как это может способствовать развитию более эффективных и устойчивых энергетических решений.
Одним из ключевых свойств Tio₂, которое имеет отношение к энергетическим приложениям, является его полосатая складка. Полиночный сигнал Tio₂ обычно составляет около 3,0 - 3,2 эВ для фаз анатазы и рутила, которые являются наиболее распространенными кристаллическими структурами. Это означает, что он может поглощать ультрафиолетовый (ультрафиолетовый) свет с длиной волн короче, чем около 400 нм. Когда фотоны достаточной энергии поглощаются, электроны в валентной полосе Tio₂ могут быть возбуждены с полосой проводимости, создавая электрон-отверстия. Этот процесс является фундаментальным для многих его связанных с энергетическими приложениями, такими как фотокатализ и фотоэлектрика. Например, в фотокатализе эти электрон-лучевые пары могут реагировать с водой и молекулами кислорода на поверхности Tio₂ для генерации активных форм кислорода (ROS), таких как гидроксильные радикалы (• OH), которые могут использоваться для разрушения органических загрязнителей или разделенной воды для получения водорода.
Другим важным свойством является его высокая площадь поверхности к объему. Наноструктурированный TiO₂, такой как наночастицы, нанотрубки и нанопроволоки, могут иметь чрезвычайно большие площади поверхности. Это позволяет иметь большее количество активных участков для реакций. Например, в чувствительном к красите солнечный элемент (DSSC) большая площадь поверхности наночастиц Tio₂, покрытую красителем, может адсорбировать значительное количество молекул красителя, что, в свою очередь, может поглощать более широкий диапазон солнечного спектра по сравнению только с только tio₂. Это усиление поглощения света приводит к повышению эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую энергию.
В сфере фотоэлектрон, Tio₂ был изучен по -разному. Одним из выдающихся применений является чувствительные к красителя солнечные элементы (DSSC). В DSSC наночастицы TIO₂ обычно используются в качестве полупроводникового электрода. Молекулы красителя адсорбируются на поверхности наночастиц Tio₂. Когда солнечный свет попадает в ячейку, молекулы красителя поглощают фотоны и переносят возбужденные электроны в полосу проводимости tio₂. Затем эти электроны проходят через внешнюю цепь, генерируя электрический ток. Исследования показали, что эффективность DSSC с использованием TIO₂ может достигать примерно 11 - 12% в оптимальных условиях. Например, ячейка грицеля, которая является типом DSSC, продемонстрировала многообещающую производительность с электродами на основе Tio₂. Тем не менее, есть все еще проблемы, которые для преодоления, такие как улучшение долгосрочной стабильности клетки и дальнейшее повышение эффективности поглощения света путем оптимизации комбинации красителя и тио.
Tio₂ также был исследован для использования в солнечных элементах перовскита. В этих клетках Tio₂ можно использовать в качестве электронного транспортного слоя. Это помогает эффективно переносить электроны, генерируемые в слое перовскита на внешнюю цепь. Исследования показали, что правильное использование TiO₂ в солнечных клетках перовскита может повысить общую эффективность и стабильность клеток. Например, тщательно контролируя толщину и качество уровня Tio₂, исследователи смогли достичь более высокой эффективности преобразования мощности. В некоторых случаях добавление слоя Tio₂ повысило эффективность перовскитных солнечных элементов на несколько процентных точек.
Фотокатализ с использованием Tio₂-это хорошо изученная область с многочисленными потенциальными применениями в энергетическом поле. Одним из основных применений является расщепление воды для получения водорода. Когда Tio₂ облучен ультрафиолетовым светом, как упоминалось ранее, генерируются пары электронных дыр. Эти электрон-дырочные пары могут реагировать с молекулами воды на поверхности TiO₂ с образованием водорода и газов кислорода. Тем не менее, эффективность этого процесса в настоящее время относительно низкая из-за различных факторов, таких как рекомбинация пар электронных хол, прежде чем они смогут эффективно участвовать в реакции расщепления воды. Исследователи работают над стратегиями для преодоления этой проблемы, таких как легирование Tio₂ с другими элементами, чтобы модифицировать его электронные свойства и уменьшить рекомбинацию пары электронных отверстий.
Другое важное фотокаталитическое применение заключается в деградации органических загрязнителей в воде или воздухе. Tio₂ можно использовать для разбивания органических соединений на более мелкие и менее вредные молекулы. Например, на расчистке сточных вод были проверены фотокатализаторы на основе TIO₂ для удаления загрязняющих веществ, таких как красители, пестициды и фармацевтические препараты. В одном исследовании было обнаружено, что фотокатализатор TIO₂ был способен ухудшить более 80% определенного загрязнящего вещества красителя в течение нескольких часов после облучения ультрафиолетовым светом. Это показывает потенциал фотокатализа Tio₂ для восстановления окружающей среды и энергосбережения, поскольку он может снизить потребность в энергетических традиционных методах лечения.
Tio₂ также показал перспективу в области хранения энергии. Например, в литий-ионных батареях Tio₂ можно использовать в качестве анодного материала. По сравнению с традиционными графитовыми анодами, Tio₂ имеет определенные преимущества. Он обладает более высокой теоретической способностью для хранения лития, что означает, что он может потенциально хранить больше ионов лития. Кроме того, Tio₂ является более стабильным во время циклов зарядки и разрядки, снижая риск термического сбегающего и повышая безопасность батареи. Тем не менее, есть также проблемы с использованием Tio₂ в качестве материала анода. Его относительно низкая электрическая проводимость по сравнению с графитом требует использования проводящих добавок или методов наноструктурирования для повышения эффективности переноса заряда. В некоторых исследованиях было показано, что наноструктурированный TiO₂, такой как нанотрубки TiO₂, обладает улучшенными электрохимическими свойствами для анодов литий-ионных аккумуляторов.
В суперконденсаторах Tio₂ также может играть роль. Суперконденсаторы - это устройства для хранения энергии, которые могут обеспечить быстрый заряд и циклы разрядки. Tio₂ может использоваться в качестве электрода материала или в качестве компонента в композите электрода. Его высокая площадь поверхности и стабильные химические свойства делают его подходящим для применений суперконденсатора. Например, когда наночастицы Tio₂ включены в электрод суперконденсатора, они могут увеличить емкость устройства, предоставляя более активные сайты для хранения заряда. Исследования показали, что правильное использование TIO₂ в суперконденсаторах может улучшить плотность энергии и плотность мощности устройств, что делает их более конкурентоспособными на рынке хранения энергии.
Несмотря на многочисленные потенциальные применения TIO₂ в энергетическом поле, существует несколько проблем и ограничений, которые необходимо решить. Одной из основных проблем является его относительно узкий диапазон поглощения в солнечном спектре. Как упоминалось ранее, Tio₂ в основном поглощает ультрафиолетовый свет, в то время как значительная часть солнечной энергии находится в видимых и инфракрасных областях. Это ограничивает его эффективность в приложениях прямого преобразования солнечной энергии, таких как фотоэлектрическая. Чтобы преодолеть это, исследователи изучают такие методы, как легирование Tio₂ с другими элементами, чтобы перенести свою полосу поглощения в видимый диапазон или объединение его с другими материалами, которые могут более эффективно поглощать видимый свет.
Другой проблемой является рекомбинация пар электрон-лун в фотокаталитическом и фотоэлектрическом применении. Как описано ранее, когда генерируются пары электронных отверстий, они часто рекомбинируют, прежде чем они могут быть полностью использованы для реакций или выработки электроэнергии. Это снижает эффективность процессов. Такие стратегии, как допинг, модификация поверхности и наноструктуризация, используются для снижения рекомбинации пары электронных отверстий, но для достижения оптимальных результатов необходимы дополнительные исследования.
С точки зрения применений для хранения энергии, относительно низкая электропроводность TIO₂ является значительным недостатком. Как упомянуто в примерах литий-ионной батареи и суперконденсатора, улучшение электрической проводимости Tio₂ имеет решающее значение для лучшей производительности. Это требует использования проводящих добавок или более продвинутых методов наноструктурирования, которые могут добавить сложность и затраты на производственный процесс.
Есть много интересных будущих направлений и исследовательских возможностей для Tio₂ в энергетической области. Одна область внимания может быть уделено дальнейшему улучшению поглощения видимого света Tio₂. Разрабатывая новые методы легирования или композитные материалы, которые могут улучшить его поглощение в видимом диапазоне, эффективность его фотоэлектрического и фотокаталитического применения может быть значительно улучшена. Например, сочетание Tio₂ с плазмонными материалами, которые могут усилить поглощение света с помощью поверхностного плазмонного резонанса, может быть многообещающим подходом.
Другая исследовательская возможность заключается в оптимизации наноструктуры TIO₂ для различных энергетических применений. Точно контролируя размер, форму и расположение наноструктур Tio₂, можно дополнительно повысить их свойства, такие как площадь поверхности, генерация пары электронных отверстий и эффективность переноса заряда. Например, изготовление нанотрубок Tio₂ с определенным диаметром и длиной может оптимизировать их производительность в анодах литий-ионных аккумуляторов или в электродах суперконденсатора.
Кроме того, изучение потенциала TiO₂ в новых энергетических технологиях, таких как топливные элементы и термоэлектрические устройства, может открыть новые возможности для его применения. Например, в топливных элементах Tio₂ потенциально может использоваться в качестве поддержки катализатора или электродного материала. В термоэлектрических устройствах его уникальные тепловые и электрические свойства могут быть использованы для повышения эффективности преобразования тепла в электроэнергию. В целом, продолжение исследования TIO₂ в энергетическом поле, вероятно, дадут много ценных информации и приложений в ближайшие годы.
В заключение, диоксид титана продемонстрировал большой потенциал для новых применений в области энергии. Его уникальные свойства, такие как его полосатая площадка, высокая площадь поверхности и химическая стабильность, делают его подходящим кандидатом для различных технологий, связанных с энергией, включая фотоэлектрическую, фотокатализ и накопление энергии. Тем не менее, существуют также проблемы и ограничения, которые необходимо преодолеть, такие как его узкий диапазон поглощения, рекомбинация пары электронов и относительно низкая электропроводность. Благодаря продолжению исследований и разработок, сосредоточив внимание на таких областях, как улучшение поглощения видимого света, оптимизация наноструктур и изучение новых применений в развивающихся энергетических технологиях, ожидается, что диоксид титана будет играть все более важную роль в стремлении к более эффективным и устойчивым энергетическим решениям.
