[Ru(tatp)3]2+的光电催化性能及其在光电化学燃料电池中的应用

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多吡啶钌配合物具有独特的光物理活性和良好的电化学性质,可以广泛应用于光电化学生物传感器、燃料电池、分子光开关及抗肿瘤药物等领域的研究。本论文选择了一种新颖的钌配合物[Ru(tatp)3]2+(tatp=1,4,8,9-四氮三联苯)作为研究对象,首先在铟锡氧化物(ITO)基底电极上修饰一层纳米ZnO或TiO2薄膜作为中间层,然后通过吸附活化法成功制备了[Ru(tatp)3]2+/ZnO/ITO和[Ru(tatp)3]2+/TiO2/ITO修饰电极。运用电子吸收光谱、扫描电子显微镜、循环伏安法、线性扫描伏安法、微分脉冲伏安法和计时电流法研究了该修饰电极的光谱性能、电化学性质及对葡萄糖、尿酸和抗坏血酸的光电催化作用,得到了以下的实验结果:  1.制备的[Ru(tatp)3]2+/ZnO/ITO修饰电极在约0.458 V处出现了一对良好的氧化还原峰,该峰电位远远负于其他多吡啶钌(Ⅱ)配合物的氧化还原峰电位,具有稳定性好和电极反应速率常数高等特点。在光强为0.1 mW cm-2的紫外光照下,纳米ZnO的光伏效应大幅度增强了[Ru(tatp)3]2+对尿酸的光电催化氧化,其线性响应区间为0.1μM~10.0 mM。以此修饰电极作为光阳极的尿酸光电化学燃料电池表现出良好的性能,其短路光电流密度为70.83μA cm-2,在0.39 V处得到最大输出功率密度为16.09μW cm-2,填充因子为0.45,光电转化效率为30.9%。该研究工作有助于光电化学传感器和光电化学燃料电池的发展和应用。  2.制备的[Ru(tatp)3]2+/TiO2/ITO修饰电极也呈现出一对良好的氧化还原峰,其在尿酸和抗坏血酸的协同催化作用下,于一个低过电位(0.265 V)处实现了电催化氧化葡萄糖,表现出良好的灵敏性和重复性。在功率为0.1 mW cm-2的紫外光照下,葡萄糖光电化学燃料电池表现出良好的性能,其开路电压和短路光电流密度分别为0.608 V和124.5μA cm-2,在0.455 V处得到最大输出功率密度为21.75μW cm-2,填充因子为0.32,光电转化效率为36.65%。本文是首例研究多吡啶钌配合物对葡萄糖、尿酸和抗坏血酸相互间的催化氧化作用,并提供了一种构建高效光电化学非酶葡萄糖燃料电池的新方法。
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