高明琦12，徐友龍12，白楊12（1.西安交通大學電子陶瓷與器件教育部重點。從圖中可以看出：①所有的峰位隨著摻雜量增加都略微向低峰位方向偏移（如中的（101）峰），這說明生成的NFT隨著摻雜量的增加晶粒增大；②衍射峰為典型的銳鈦礦相特征峰，峰強度隨著摻雜的增加顯著增強，說明摻雜有利于Ti2銳鈦礦晶相的生成；③沒有摻雜的純了！2在掃描時還有極少的晶紅石相，如中a樣品的（110）峰即為晶紅石相的特征峰，但是摻雜之后晶紅石相特征峰消失，變成純的銳鈦礦相，說明鈮和氟的摻雜抑制了晶紅石相的生成；④摻雜之后會有些細小的峰出現(xiàn)或峰形更加尖銳，如38°附近的組三峰（（103）（004）（112））、55.附近的雙峰（（105）（211））以及62.附近的雙峰（（213）（204））等，都是典型的銳鈦礦晶相特征峰，這說明摻雜之后晶型更加規(guī)則，能夠檢測出來的信號更完整。

2.2形貌與成分分析摻雜之后生成的NFT形貌不同于傳統(tǒng)的Ti2小顆粒，是微米級的球狀。為NFT的SEM圖，從可以看到，微球表面有大量納米管呈“排狀”

緊密堆積又彼此支撐，在連接處有少量納米顆粒或不完整的納米管，這些納米管和納米顆粒組成在一起形成了微球形貌。

為球形NFT顆粒超聲分散后的納米管TEM圖，從中可以觀察到納米管和納米顆粒以及部分碎裂的納米管。這些納米管的直徑大多只有3040nm左右，粗細不太均勻，完整的長度大約為500nm，納米顆粒的粒徑則在50nm左右。從圖中推測，分解后產(chǎn)物中納米管的比例比顆粒高，與SEM圖中表面結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)相符。但是，米用同種方法制備的未摻雜的Ti2依然全都是納米顆粒，與P25類似，直徑只有20nm左右，并沒有納米管出現(xiàn)，也沒有出現(xiàn)微球結(jié)構(gòu)。這說明，微球結(jié)構(gòu)并不僅僅取決于水熱合成的溫度與時間的控制，摻雜才是主要因素，而且納米管的尺寸明顯大于純Ti2的顆粒尺寸，這與前文中XRD的測試結(jié)果一致，即NFT的晶粒尺寸確實大于TO的。

球形NFT顆粒超聲分散后的納米管TEM圖對NFT粉末進行X射線光電子能譜（XPS）分析，其全譜如所示。從圖中對比標準數(shù)據(jù)可知，樣品中除了主要含有Ti、O和表面吸附的空氣中的C元素之外，還有Nb3d，Nb3s和F1s特征峰。這說明Nb和F確實摻雜進入了Ti2的晶格之內(nèi)，而對其含量進行分析后發(fā)現(xiàn)，Nb和F的摩爾比接近1：5，與前文制備的反應方程的比例相符。

水熱反應的時候Nb和F的摻雜從本質(zhì)上改變了所生成的T！2的結(jié)構(gòu)，變成了全新的納米管組成的微球，但是微球的形成機制和原理還有待于進―步研究。

2.3電池的光電性能分析光電流的產(chǎn)生依賴于電子注入、電荷轉(zhuǎn)移和電荷復合過程。NFT的結(jié)晶性能好，有助于電子注入效率的提高。由于納米管的結(jié)晶規(guī)則，管壁內(nèi)是單晶結(jié)構(gòu)，因此電子在其內(nèi)部的傳輸速率更高，而且管和管之間結(jié)構(gòu)比較緊密，接觸面積大，界面間會形成良好接觸，其間電子傳輸?shù)乃俾什粫芴笥绊?，而未摻雜的常規(guī)顆粒了0自身尺寸很小，有大量的接觸界面，電子在其中傳輸?shù)倪^程中因大量的界面存在而極大地減緩了傳輸速率，甚至在界面區(qū)域發(fā)生湮滅。所以NFT中的電子遷移速率高于未摻雜的了0中的，這可以有效地減小電池內(nèi)阻，從而提高電池的開路電壓。

對不同材料制作的光陽極進行染料脫吸附測試，發(fā)現(xiàn)NFT電極的染料吸附量比未摻雜的了0電極提高56%以上，說明NFT由納米管組成的球狀結(jié)構(gòu)確實能夠擁有更大的表面積，因此用這種材料制備的光陽極能夠提供更多的表面積與染料接觸。提高了染料吸附量就可以在單位時間進行更多的光電轉(zhuǎn)換，有助于電池短路電流的提高。提出，當染料吸附量增加1.2倍時，單色光的IPCE增加了3%，而了0和P25這兩種顆粒制備的電極由于很多小顆粒壓縮得緊密，很多表面積很難利用，難以發(fā)揮其原有表面積的優(yōu)勢。另一方面表面積增加，可使單位面積上的電子極化減弱，有利于提高電池的開路電壓。

將3種不同材料制備的電池在標準模擬太陽光下進行測試，其曲線如所示。其中NFT樣品中摻雜Nb和F的摩爾分數(shù)分別為1%和5%.從圖中可以看出，NFT制備的電池具有更高的開路電壓（0.72V）和短路電流密度（8.得它具有高的光電轉(zhuǎn)換效率（3.6%），比不摻雜的T0制備的電池的轉(zhuǎn)換效率（2.6%）提高了38%，比商用的P25制備的電池的轉(zhuǎn)換效率（2.9%）也要高本文還對電池的IPCE進行了測試，結(jié)果如所示。從圖中可以看出，在可見光范圍（400550nm），NFT制備的電池的轉(zhuǎn)化效率明顯高于T0和P25的，這可以歸因于NFT具有更高的電子注入效率和電子遷移速率，而且擁有更高的有效表面積來吸附染料。這也與上面-V測試的結(jié)果一致。

電勢正向移動，降低其費米能級，使得電子注入的驅(qū)動電勢增加，有效提高電子注入效率，從而提高電池的短路電流密度，這與的結(jié)果一致，而IPCE的測試結(jié)果表明，在紫外波段，NFT的本征轉(zhuǎn)化效率發(fā)生紅移，也證明了其費米能級有所降低。

3結(jié)論本文采用一步水熱合成法制備了Nb和F的雙摻雜Ti02微球，這些微球每一個都是由大量的納米管和少量納米顆粒組成的。用這樣的T！02微球制備的光陽極擁有更高的有效表面積，而且摻雜之后Ti02的結(jié)晶性明顯提高，有利于提高其中的電子遷移率。所以，這種材料制備的單層電池與未摻雜的T！02顆粒制備的同種電池相比，單色光子-電子轉(zhuǎn)化效率明顯提高，整體轉(zhuǎn)換效率提高了38%，表明摻雜對電池性能提高有明顯效果。