4-叔丁基吡啶对纳米晶TiO2电极的作用影响

基本信息

4-叔丁基吡啶，外文名：4-tert-butylpyridine，化学式C₉H₁₃N，分子量135.21，CAS： 3978-81-2，为液体，密度： 0.915g/cm³，沸点： 196-197℃，常用于染料敏化太阳能电池电源液的添加剂，可以提升光电池的开路电压。

背景技术

染料敏化太阳能电池(DSSC)具有结构简单、成本低和效率高的优点，可以替代普通的太阳能电池，因此受到人们的广泛关注。为了有效地使染料再生，使用氧化还原电解质是必要的。氧化还原电解质对纳米晶TiO₂电极的能带结构有重要的影响，从而影响电极的光电性质。此外，电解质溶液中的添加剂也扮演了重要的角色。迄今为止，4-叔丁基吡啶 (TBP)是染料敏化太阳能电池使用最多的添加剂， 它能够明显提高电池的光电性质。目前，关于TBP对纳米晶TiO₂电极的能带结构以及表面态影响的详细研究鲜有报。

实验方法

TiO₂纳米晶电极：TiO₂胶体和薄膜的制备，用玻璃棒将胶体溶液均匀铺展在导电玻璃上，红外灯烤干后，放入马弗炉中450℃烧结30 min。将TiO₂膜在0.2 mol·L^-1 的TiCl₄溶液中浸泡24h，取出，去离子水冲洗干净，吹干，450℃下烧结30min。

染料敏化TiO₂电极：待上述制备好的TiO₂纳米晶薄膜，温度降到80℃时，将其放入浓度为5×10^-4mol·L^-1 的N3乙醇溶液中浸泡12h，取出，经乙醇冲洗3次，吹干。

电化学测试使用CHI800电化学分析仪(上海辰华)，三电极体系，工作电极即N3敏化TiO₂纳米晶膜电极，工作面积3cm²，铂丝为对电极，饱和Ag/AgCl电极为参比电极，经光谱电化学测试，以N3敏化TiO₂纳米晶膜为光阳极，表面镀铂的导电玻璃为光阴极，照射光源500W氙灯，光路上放置一片IRA-25S红外滤光片以防电极产生热电流，GG420截止滤光片防止紫外光激发二氧化钛，在光的通路中放置组合的干涉滤光片(Ealing)以获得一定波长的单色光，电极的有效照射面积为0.196cm²，电解质为0.5 mol· L^-1 LiI+0.05 mol·L^-1 I₂+0.3 mol·L^-1 1-甲基-3-丙基碘化咪唑和不同浓度的4-叔丁基吡啶，溶剂为乙腈/ 丙稀碳酸酯=1∶1，实验过程对电解质溶液始终保持通N2除氧。

结论

1)如在电解液中加入4-叔丁基吡啶可使纳米晶TiO₂电极的平带电势发生负移，而且其加入的浓度越大，平带电势负移越大，在分别不含和含有0.2或 0.4 mol·L^-14-叔丁基吡啶的0.2 mol·L^-1 高氯酸四丁基铵/乙腈溶液中，测得TiO₂电极的E_fb 分别为-2.25，-2.46和-2.60V。

2)4-叔丁基吡啶也使纳米晶TiO₂电极表面的陷阱态密度显著减小。在不含和含有0.2或0.4 mol·L^-14-叔丁基吡啶的0.2 mol·L^-1 高氯酸四丁基铵/乙腈溶液中，该电极的陷阱态密度分别是3.52×10¹⁶ ，3.18×10¹⁶和3.37× 10¹⁶ cm^-2 ，陷阱态分布的值位于-1.99，-1.89 和-1.85 V处。

3)N3敏化纳米晶TiO₂电池的光电化学测试表明，当于电解质中加入4-叔丁基吡啶时，电池的光电压显著增大，主要原因是导带的负移以及表面态减少， 从而改善了电池的光电转化效率。

参考文献

[1]杨术明,王纪超,寇慧芝等.4-叔丁基吡啶对纳米晶TiO2电极的能带结构及光电化学性质的影响[J].电化学,2011,17(02):204-211.