CaBi_xO_y基光阳极薄膜的制备及其光电性能研究

发布时间：2020-06-20 02:39

【摘要】：通过半导体将太阳能转化为化学能实现光电催化分解水产氢作为缓解当下环境污染和能源危机的有效途径之一,已成为学术界的研究热点。而实现高效的光电催化分解水的关键是高效稳定的半导体光电极材料的研究。国内外的研究者已对半导体电极材料进行了各种研究改性,并取得一系列的研究成果。可见光响应范围、光生电子空穴分离效率、反应动力、稳定性等仍然是制约光电极实现高转化效率的重要因素。铋酸钙(CaBi_xO_y)由于其可见光响应、光催化效率高且稳定性好而被广泛应用于光催化领域,但在光电催化领域却鲜有报道。本文采用水热法和旋涂法在FTO导电玻璃基底上制备了两种CaBi_xO_y薄膜,并将其作为光阳极用于光电化学水分解。分析了薄膜合成过程中的化学反应过程及成膜机理,研究了pH、水热时间等工艺参数对CaBi_xO_y形貌的影响规律,探讨了形貌、厚度等对薄膜光电性能的影响机制。此外,基于厚CaBi_6O_(10)纳米片结构良好的吸光性能和载流子传输特性,沉积窄禁带Cu_2O形成异质结,研究异质结对光电极光电性能的影响机理,分析异质结光电极体系中光生载流子的分离与输运机制;通过NiOOH对光电极进行进一步改性,分析了其对水氧化反应动力的影响规律及作用机理。结果表明,通过控制水热时间制备了不同形貌的CaBi_2O_4薄膜,180°C下水热12 h制得的哑铃状CaBi_2O_4获得最大光电流密度0.26 mA/cm~2(1.23 V vs.RHE)。通过调节前驱体溶液pH值和旋涂次数制备了不同形貌和厚度的CaBi_6O_(10)薄膜,具有300 nm厚的厚CaBi_6O_(10)纳米片薄膜获得了最大光电流密度0.39 mA/cm~2,可归因于厚的纳米片结构有利于光的捕获和电子的传输以及适当的厚度有利于提高吸光强度和光生载流子分离效率。利用Cu_2O对厚CaBi_6O_(10)纳米片进行改性形成异质结,拓宽了光响应范围,促进了光生电子-空穴对的分离和传输,其光电流密度达到1.31 mA/cm~2(1.23 V vs.RHE),是单纯CaBi_6O_(10)样品的3.3倍。沉积NiOOH助催化剂对CaBi_6O_(10)/Cu_2O光电极进行进一步的改性,有效抑制了光生载流子的复合,促进了表面水氧化反应,所获得的三元CaBi_6O_(10)/Cu_2O/NiOOH光电极的光电流密度增加至1.89 mA/cm~2(1.23 V vs.RHE),是单纯CaBi_6O_(10)光电极的4.8倍,并且光电流起始电位从0.123 V vs.RHE负移至0.027 vs.RHE。同时,由于NiOOH可快速捕获电极表面的光生空穴,避免了Cu_2O的氧化,大大提高了CaBi_6O_(10)/Cu_2O/NiOOH光电极的稳定性。2 h持续光照之后,CaBi_6O_(10)/Cu_2O/NiOOH光电极的光电流密度仍保持初始光电流密度的89%。
【学位授予单位】：天津城建大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2;TQ116.2
【图文】：

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图 1-1 半导体光电极 PEC 水分解制氢示意图[21]. 1-1 Diagram of photoelectrochemical cell for water splitting[21]了一个简单的 PEC 水分解系统示意图，包含两个浸入

水分解,势能,光催化

图 1-2 光催化水分解势能图[22]energy diagram for photocatalytic water splitsemiconductor system[22]

【参考文献】