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氧化铁基光阳极材料的制备及其电学性能研究

发布时间:2020-05-10 20:10
【摘要】:光电化学(PEC)水分解因其可以产出清洁可再生的氢能来解决即将到来的能源危机而引起了人们的高度关注。然而,PEC水分解仍然面临诸多挑战,其中最大的问题就是构建一种拥有高效电荷分离和高表面反应性的光阳极。在各种半导体中,氧化铁(Fe_2O_3)由于其来源丰富,光化学稳定性高,无毒性和适当的带隙(1.9-2.2 eV),是最有前景的光阳极材料之一。然而,纳米Fe_2O_3的PEC性能受到其固有缺陷的限制,包括导电性差,电荷复合速率快和低的氧化反应动力学。因此,为了提高Fe_2O_3的PEC性能人们做了许多努力,如元素掺杂,形态控制,表面改性和构建异质结结构等。本论文从元素掺杂和表面修饰两方面对Fe_2O_3进行了改性研究,并对改性前后的光阳极材料进行表征,从而确定其光电性能提升原因,为设计和制备高效的光阳极材料提供理论和实验上的依据。本论文的主要研究内容如下:1.MnO_2修饰的P掺杂的Fe_2O_3光阳极材料的制备及其光电化学性能研究。采用水热和煅烧的方法在导电玻璃(FTO)表面生长了Fe_2O_3纳米棒阵列。通过简单浸渍的方法在Fe_2O_3体相内引入磷掺杂,再通过浸渍退火的方法在P掺杂Fe_2O_3的表面修饰一层MnO_2助催化剂,并考察了其光电化学性能。光电化学测试结果表明,P掺杂可以增强光阳极的载流子密度(从3.44×10~(19)cm~(-3)提高到9.09×10~(19)cm~(-3)),MnO_2助催化剂修饰可以促进表面电荷分离,MnO_2/P:Fe_2O_3的光电流密度在相对于可逆氢电势1.23 V时达到1.65 mA·cm~(-2),比原始Fe_2O_3提升了四倍左右(0.35 mA·cm~(-2))。掺杂和修饰后Fe_2O_3光阳极材料的载流子密度密度和电荷分离效率都得到了大幅度地提升,阻抗明显下降。2.FeO_(1-x)OH修饰的P掺杂的Fe_2O_3光阳极材料的制备及其光电化学性能研究。采用水热和煅烧的方法在导电玻璃(FTO)表面生长了Fe_2O_3纳米棒阵列。通过浸渍的方法在Fe_2O_3体相内引入了磷掺杂,显著地提升了导电性;然后通过浸渍的方法在P掺杂Fe_2O_3的表面沉积了一层FeO_(1-x)OH助催化剂,增强了其氧化反应动力学。FeO_(1-x)OH/P:Fe_2O_3的光电流密度在相对于可逆氢电势1.23 V时达到2.10 mA·cm~(-2),比原始Fe_2O_3提升了四倍多(0.43 mA·cm~(-2))。研究表明,在FeO_(1-x)OH助催化剂中,Fe~(2+)起主要作用。在PEC水氧化过程中,Fe~(2+)被光生空穴氧化成Fe~(3+),Fe~(3+)可以更快速地氧化水,本身被还原成Fe~(2+)。不仅显著地增强了氧化反应动力学,还有效地促进了电荷分离。
【图文】:

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图 1-1 n 型半导体作为光阳极的光电化学池示意图[6]础首次发现 TiO2可以分解水至今,四十多年过去了,在光电化成就,但是迄今为止已经开发的大部分 PEC 水分解系统仍然寻找高效水分解光电极材料仍在进行中[4]。温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间(semiconductor)[4]。实际应用中,最常用能带理论来解释半energy band)是由大量能级密集形成的,在能带中,能量最高 band,VB),价带之上空着的就是导带(conduction band,CB还有禁带,禁带是由价带和导带之间不存在能级的能量范围组隙(band gap)。当半导体受到光或热激发时,价带中的电子会在价带中留下空穴,导带中的电子和价带中的空穴合称空穴电

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为分解水的决速步在产氧,所以更多人从事的是光阳极的研究。导体光阳极材料研究于用作 PEC 水分离器件的半导体电极,应满足一些关键要求,如适当的带水氧化还原电位适当的价态和导带位置、高的可见光吸收、在开光和闭光状稳定性以及商业可行性等[7-9]。对于理想的水分解半导体材料来说,价带和导置必须跨越水氧化和还原电位(即 Ec> Ered,water和 Ev<Eox,water),图 1-2 展示体导价带位置相对于水氧化还原电位的能带边缘位置。诸如 TiO2、SnO2、较大的半导体,需要很高的能量才能激发,太阳光光谱中占比很大的可见光发,只有占太阳光谱约 4%的紫外光才能将其激发;小带隙半导体如 Si、GadTe、CdSe、CuO 等理论上可以吸收太阳光谱中可见光部分,但其浸入电解生腐蚀[10, 11]。只有中间带隙半导体如 Fe2O3、BiVO4、Ta3N5、WO3等,既光,,也不容易腐蚀,因此它们的研究得到了广泛关注。
【学位授予单位】:西北大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TB383.1;O646.542

【参考文献】

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1 刘增勋;刘志昂;满磊;朱静茹;李贤;;独立光伏发电系统的优化设计[J];绿色科技;2014年09期

2 王耀明;罗文俊;欧阳述昕;李朝升;于涛;邹志刚;;SrTiO_3/α-Fe_2O_3异质结光阳极光电转换性能[J];发光学报;2007年02期



本文编号:2657832

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