电化学阳极氧化法构建纳米铜氧化物薄膜

发布时间：2017-07-14 03:22

  本文关键词：电化学阳极氧化法构建纳米铜氧化物薄膜

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【摘要】：金属氧化物半导体材料是太阳能转换的重要材料之一。铜的氧化物中,氧化亚铜(Cu_20)和氧化铜(CuO)通常为p型半导体,禁带宽度Eg分别为1.9～2.2 eV和1.2 eV。因此他们都能吸收可见光,可作为可见光光催化材料,以充分利用丰富且清洁的太阳能分解水制氢。本论文研究了恒电流阳极氧化黄铜制备铜氧化物薄膜的过程及其光电性能影响因素。利用X射线粉末衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和激光拉曼光谱仪(Raman)等对薄膜的形貌、结构和表面成分进行分析表征,并综合表征结果对其可见光光电化学性能进行分析。本文中的主要研究内容和结果为以下所示四个方面：1.高温氧化和阳极氧化的对比。黄铜只经过150℃高温氧化2h处理时,表面形成少量的氧化物,光电性能比较微弱。只经过10.0mA·cm-2的电流密度阳极氧化300 s之后,表面具有致密多孔的纳米片,同时含有CuO和Cu_20(禁带宽度Eg分别为1.9～2.2 eV和1.2 eV),使得样品能吸收可见光。样品具有明显的p型光电流。经过阳极氧化的样品再经过高温氧化,XRD显示其峰型变尖锐,结晶度提高,光电流大小也随之增加。2. NaOH浓度的影响。1.0mol·L-1 NaOH中可以得到Cu_2O/CuO (纳米颗粒)双层结构,3.0 mol·L-1和5.0 mol·-1 NaOH中可以得到Cu_2O/CuO (纳米片状)双层结构；8.0 mol·L-1和100 mol·L-1 NaOH中可以得到多面体颗粒状Cu_2O。在NaOH浓度为3.0 mo1·L-1时得到的样品具有最大的光电流。此时的样品表面的薄膜是Cu_2O/CuO双层结构,纳米片状CuO在外侧。纳米片有利于光的吸收和光生载流子的分离。纳米片状CuO的形成可能是Cu(OH)_2的水解导致的。恒电流阳极氧化过程中CuO纳米片的形成的必要因素是Cu_20紧密覆盖层的形成。3.温度的影响。在50 mol·L的的NaOH溶液中,温度为30和40℃时可以得到纳米颗粒状CuO聚集体；50℃～70℃可以得到纳米片状CuO,类似研究NaOH影响时3.0mol·L-1和50 mol·L-1的溶液中得到的纳米片；80℃可以得到多面体颗粒状Cu_2O。在55℃时得到的样品具有最大的光电流,薄膜上的CuO纳米片有利于光的吸收和光生载流子的分离。纳米片状CuO的形成可能是溶液温度高于50℃时Cu(OH)_2的水解导致的。在50℃前后存在不同的反应方式。温度高于50℃时,随着温度增加,形成Cu_20钝化膜的难度增加,过渡时间延长,直至无法形成完整而致密的钝化膜。高温和高浓度的NaOH增加了Cu_20的溶解度,其形成比较困难。4. CuO纳米片的修饰。电化学阴极还原和葡萄糖还原均能在CuO纳米片的基础上形成Cu_2O/CuO复合半导体材料。能够显著地提高样品的光电性能。葡萄糖具有反应温和的特点,而且制得的复合半导体材料的光电性能比较好。
【关键词】：阳极氧化 黄铜 NaOH 电解液温度 Cu_2O CuO 氧化物薄膜 光电流
【学位授予单位】：浙江师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-19
• 1.1 研究背景和意义10
• 1.2 铜氧化物半导体及其光电催化性能10-12
• 1.2.1 Cu_2O的光电催化性能10-11
• 1.2.2 CuO的光电催化性能11
• 1.2.3 复合氧化物半导体的光电催化性能11-12
• 1.3 黄铜表面的处理及其应用12-14
• 1.4 黄铜的电化学氧化14-15
• 1.5 铜的电化学阳极氧化15-18
• 1.5.1 不同电化学方法对铜的阳极氧化的影响15-16
• 1.5.2 电解液温度对铜的阳极氧化的影响16
• 1.5.3 碱性溶液中研究铜的阳极氧化16-18
• 1.5.3.1 碱性溶液中铜的阳极氧化产物16-17
• 1.5.3.2 Cu_2O形成及一价铜离子的影响17
• 1.5.3.3 CuO、Cu(OH)_2或其他铜氧化物的形成17-18
• 1.6 本文的主要工作18-19
• 第二章 实验部分19-24
• 2.1 实验材料及试剂19
• 2.2 实验仪器19
• 2.3 基底预处理19-20
• 2.3.1 裁剪20
• 2.3.2 机械打磨20
• 2.3.3 清洗20
• 2.4 样品的制备20-22
• 2.4.1 反应装置20-21
• 2.4.2 阳极氧化和高温氧化的对比实验21
• 2.4.3 不同NaOH浓度阳极氧化黄铜21
• 2.4.4 不同电解液温度阳极氧化黄铜21-22
• 2.5 薄膜的结构、形貌、光电化学性能及成分分析22-23
• 2.5.1 X射线粉末衍射(XRD)22
• 2.5.2 激光拉曼散射光谱(Raman)22
• 2.5.3 扫描电子显微镜(SEM)22-23
• 2.5.4 透射电子显微镜(TEM)23
• 2.6 薄膜的光电性能测试23-24
• 第三章 恒电流阳极氧化和高温氧化对黄铜的影响及其光电性能24-32
• 3.1 引言24-25
• 3.2 结果与讨论25-31
• 3.2.1 XRD结构分析25-27
• 3.2.2 表面Raman分析27-28
• 3.2.3 SEM形貌分析28-30
• 3.2.4 可见光光电流测试30-31
• 3.3 本章小结31-32
• 第四章 NaOH浓度对黄铜阳极氧化的影响32-42
• 4.1 引言32-33
• 4.2 结果与讨论33-41
• 4.2.1 SEM形貌分析33-34
• 4.2.2 XRD结构分析34-35
• 4.2.3 表面Raman分析35-36
• 4.2.4 可见光光电流测试36-38
• 4.2.5 NaOH浓度对样品形成机理探究38-41
• 4.3 本章小结41-42
• 第五章 温度对黄铜阳极氧化的影响42-48
• 5.1 引言42
• 5.2 结果与讨论42-47
• 5.2.1 表面Raman分析43-44
• 5.2.2 SEM形貌分析44-45
• 5.2.3 可见光光电流测试45-46
• 5.2.4 电解液温度对阳极氧化膜的形成过程初探46-47
• 5.3 本章小结47-48
• 第六章 不同还原条件修饰纳米片状氧化铜48-55
• 6.1 引言48
• 6.2 结果与讨论48-54
• 6.2.1 电化学阴极还原48-52
• 6.2.2 葡萄糖还原52-54
• 6.3 本章小结54-55
• 第七章 总结与展望55-57
• 7.1 总结55-56
• 7.2 展望56-57
• 参考文献57-65
• 致谢65-66
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果66-69

【参考文献】

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1 赵华涛;王栋;张兰月;白志平;吴有庭;;高反应浓度下制备不同形貌氧化亚铜的简易方法[J];无机化学学报;2009年01期

2 李勇;朱应禄;;黄铜脱锌腐蚀的研究进展[J];腐蚀与防护;2006年05期

3 汪志勇,曾庆学,崔舜,康志君;电化学法制备氧化亚铜的研究[J];化学研究;2001年01期

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本文编号：539491