绿色溶剂法制备Sm3+掺杂TiO2纳米结构及其在太阳能转换中的应用研究

本研究针对TiO2宽禁带限制光吸收及电荷复合率高的问题，采用绿色合成法（Oxalis Corniculata叶提取物）制备Sm3+掺杂TiO2纳米颗粒（NPs）和纳米片（NSs）。通过XRD、FE-SEM和PL光谱证实Sm3+掺杂增强可见光吸收并抑制电荷复合，DSSCs效率提升至9.11%（未掺杂为5.38%），为可再生能源材料设计提供新策略。

　　

随着全球能源危机与环境问题日益严峻，开发高效可持续的能源材料成为科学界焦点。传统化石燃料的不可再生性及其导致的碳排放问题，促使人们将目光转向太阳能等清洁能源。在众多光伏技术中，染料敏化太阳能电池（DSSCs）因其成本低、制备工艺简单等优势备受关注，但其核心材料二氧化钛（TiO₂）存在固有缺陷：3.2 eV的宽禁带仅能吸收紫外光（占太阳光谱5%），且表面缺陷导致光生电荷复合率高，严重制约转换效率。

为突破这一瓶颈，稀土（RE）离子掺杂被证明是调控TiO₂光电性能的有效手段。其中，三价钐离子（Sm³⁺）因其独特的4f电子构型，可引入亚带隙能级，实现可见光捕获并通过下转换过程提升光利用率。此外，绿色合成法的兴起为纳米材料制备提供了环境友好路径，避免传统化学还原法中有毒试剂的使用。

基于此，Erbil Polytechnic University的Shelan M. Mustafa团队在《Journal of Molecular Structure》发表研究，创新性地采用植物提取物（Oxalis Corniculata）为还原剂，通过绿色溶剂法合成Sm³⁺掺杂TiO₂纳米颗粒（NPs）及纳米片（NSs），并系统评估其光伏性能。研究结合X射线衍射（XRD）、场发射扫描电镜（FE-SEM）和光致发光（PL）光谱等技术，揭示了Sm³⁺掺杂与纳米结构协同增强光电流的机制。

关键技术方法
研究采用绿色合成法制备Sm³⁺:TiO₂ NPs，以植物提取物替代传统化学还原剂；通过水热法构建NSs形貌；利用丝网印刷技术沉积薄膜并进行可控热退火；采用XRD分析晶体结构，FE-SEM观察形貌，PL光谱检测光学特性；最后组装DSSCs器件，在AM 1.5G模拟太阳光下测试光电转换效率。

研究结果

XRD分析
Sm³⁺掺杂样品主要呈现锐钛矿相（JCPDS 01-071-1167），高掺杂浓度下出现Sm₂O₃杂质峰，表明过量掺杂导致相分离。晶粒尺寸计算显示Sm³⁺掺入使平均晶粒尺寸从24 nm增至28 nm，晶格畸变率提升至1.83%，证实Sm³⁺成功进入TiO₂晶格。

FE-SEM表征
未掺杂TiO₂ NPs呈现不规则团聚，而Sm³⁺掺杂后颗粒分散性显著改善，表面纹理增强。NSs样品展现出三维多孔结构，比表面积达112 m²/g，为染料吸附和电荷传输提供理想通道。

PL光谱分析
Sm³⁺掺杂样品在563 nm、598 nm和642 nm处出现特征发射峰，对应Sm³⁺的⁴G_5/2→⁶H_J（J=5/2,7/2,9/2）跃迁。色度坐标（x=0.3105, y=0.2507）接近白光区域，表明材料具备广谱发光特性，可用于光谱调制。

光伏性能
基于Sm³⁺:TiO₂ NSs的DSSCs表现出最优性能：短路电流密度（J_sc）达20.30 mA/cm²，转换效率（η）提升至9.11%，较未掺杂样品（η=5.38%）提高69%。电化学阻抗谱（EIS）显示NSs电极电荷转移电阻降低47%，证实三维形貌有效促进电子传输。

结论与意义
该研究通过绿色合成实现了Sm³⁺:TiO₂纳米结构的可控制备，阐明稀土掺杂与形貌调控的协同效应：Sm³⁺的4f能级扩展了光响应范围，而NSs三维网络结构抑制电荷复合。成果不仅为DSSCs效率提升提供新思路，其绿色合成策略更对规模化生产具有指导意义。作者进一步指出，此类材料在超级电容器、电催化等能源领域具潜在应用价值，为多功能TiO₂基材料的开发奠定基础。