CdO基材料的热电和光催化性能研究

发布时间：2020-08-21 20:25

【摘要】：CdO是一种导电性能优良的n型半导体材料,在光电、热电、光催化等领域均有重要应用前景。在过去的几十年间,关于CdO光电性能的研究不胜枚举,但对于其热电和光催化性能的研究甚少。本论文以CdO多晶块体和纳米材料为对象,详细研究了CdO基材料的热电和光催化性能并利用多种手段对其热电性能和光催化性能进行了优化,论文所得主要结果如下:1)通过在CdO基体中添加PMMA作为造孔剂,成功制备了多孔CdO多晶块体。微纳尺度孔隙的引入使得CdO基体材料的热导率大幅下降,但其电学性能同时也降低。为了优化电学性能,我们对多孔CdO样品进行Cu掺杂,在维持低热导的情况下提高了电导率。823 K时,多孔Cd_(0.99)Cu_(0.01)O样品的热电优值ZT比非掺杂致密CdO样品提高约63%。2)通过对CdO进行碱土金属元素(Mg、Ca、Ba)掺杂,构建了CdO基多尺度声子散射结构。点缺陷、纳米析出物和晶界的协同声子散射作用使CdO多晶块体的晶格热导率降至接近其非晶极限。热导率的大幅下降使掺杂碱土金属元素的CdO基多晶块体的热电性能显著提升。1000 K时,Cd_(0.94)Mg_(0.03)Ca_(0.03)O的ZT值可达0.5。3)通过在CdO中掺入3d过渡金属元素Ni对其能带结构进行调控,以优化CdO多晶块体的电输运性能。研究发现,3d过渡金属元素Ni的掺入会在CdO导带底附近引入杂质能级并使其带隙变宽,电阻率和赛贝克系数随温度升高均发生明显的转变,样品的功率因子在整个测试温区显著提升。其中,Cd_(0.99)Ni_(0.01)O的功率因子在1000 K时可达1.54×10~(-3)W/m K~2。4)选择贵金属Ag作为纳米弥散相,制备了CdO:Ag纳米复合多晶块体。一方面,由CdO:Ag界面势垒引起的载流子能量过滤效应使复合相的赛贝克系数明显提升,功率因子得到优化;另一方面,复合相中的Ag纳米颗粒、CdO/Ag界面等对声子的散射大幅增强,热导率下降。最终在CdO:Ag纳米复合体系中实现了电、热输运性能的协同调控,优化了其热电性能。5)采用改进后的半连续离子层吸附反应法,构建纳米CdO与二维金属氧化物纳米片(SnO_2、Fe_2O_3)异质结构。CdO纳米颗粒具有良好的光吸收能力而二维纳米片具有较大的比表面积,使异质结构的光催化活性显著增加。且CdO/Fe_2O_3的能带结构有利于光生载流子分离,光催化活性较高,光照40分钟后可降解70%的亚甲基蓝。
【学位授予单位】：河北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;TB383.1
【图文】：

图 1.1 (a) 托马斯 约翰 赛贝克和赛贝克效应的原理图；(b) 晋 查理斯 阿提安斯 帕尔贴和帕尔贴效应的原理图Figure 1.1 (a) Thomas Johann Seebeck and the simulation model of Seebeck effect; (b) Jean CharlesAthanase Peltier and the simulation model of Peltier effect

且多数材料都存在最佳工作温度区间。图1.2 列出了一些典型的 n 型和 p 型体材料的 ZT 值与工作温度的关系曲线。从图中可以看出，室温区具有代表性的热电材料为 Bi2Te3和 MgAgSb 基合金，而 PbTe、SnSe 等多数热电材料在中温区都具有良好的热电性能，高温区则以 SiGe、Half-Heusler 合金等为主。近几年，氧化物热电材料也受到越来越多热电工作者的关注。氧化物热电材料的制备过程简单、元素储量丰富、低毒，且其通常表现出较高的热稳定性和化学稳定性，从环境和成本角度考虑，氧化物在高温热电领域极具发展潜力，今后也将会是热电领域的一个重要研究方向。

11图 1.3 NaCo2O4的晶体结构示意图Figure 1.3 Schematic picture of the crystal structure of NaCo2

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本文编号：2799821