BaTiO 3 /CdS与TiO 2 /BaTiO 3 异质结微纳结构的制备及光电性能研究
发布时间：2021-10-21 22:32
设计高性能半导体光电极材料是提高太阳能直接转换为电能和光解水制取清洁能源氢等太阳能开发利用效率的关键基础。在诸多的半导体光电极材料中,具有强铁电性的BaTiO3（BTO）由于其自发极化电场能够促进光生载流子的有效分离和转移而备受关注。然而,BTO较宽的带隙,使其对可见光的吸收受限,因此,本文通过将BTO与窄带隙CdS耦合形成异质结构,拓宽其光响应范围,从而提高其光电化学性能。同时,利用BTO的铁电性,将其与具有独特光电性能的传统光电极材料TiO2耦合构建TiO2/BTO异质结微纳结构,研究了铁电BTO壳层厚度对其光电化学性能的影响。本文的研究内容和主要结论如下:（1）采用两步水热法,以TiO2纳米线阵列作为前驱反应物,八水合氢氧化钡（Ba（OH）2·8H2O）作为钡源,研究了反应温度和反应过程中Ba2+浓度对所制备样品性能的影响。结果表明:在反应温度210℃,Ba（OH）2·8H2O浓度为0.06 M条件下,可以成功制备出含四方相的纯BTO纳米阵列结构。通过与前驱物TiO2对比发现,BTO有着更快的光生电流响应速度和更优异的光电性能,在模拟太阳光外加偏压为0V下,其光电流密度是TiO2...
【文章来源】：中央民族大学北京市 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１光电化学分解水示意图??
因此，促进光生电子空穴对的分离和转移是提高半导体光电极光电转换效率的关键和有效??途径。??１．２．２半导体光电极的种类??下图１－２为几种常见半导体光电极的能带位置示意图。根据半导体的能带位置和禁带??宽度的差异［２１】，我们可以将半导体光电极材料分为宽禁带和窄禁带半导体材料。其中宽禁??带半导体通常是一些金属的弱酸盐（如钛酸盐、铌酸盐、镓酸盐等）及一些过渡族的金属??氧化物或碳氮化物（如ＺｎＯ、ＴＣｈ、Ｓｎ０２［２２】、〇３＾２３］等）。窄禁带半导体则通常是部分金属??的硫化物、含氧化物等（如ＣｄＳ、Ｍｎ０２、Ｗ０３等）。??０??１?－１?－?—??—＞?■丨■■■■■■?■??＞????ＵＪ??????Ｘ?＞??ｚ?ｉ?－?寻?ｓ??５?…■＜？．…ｖ？…ｒ?＞？…－ｔ?ｓ??〇?，??—＾?ｃｄｓ?Ｎ?－ｒ￣?ｓ」－??－３?－?ｉｔ?Ｆｅ２°３?ｒ?Ｚｎ０??ＢａＴｉＯａ?￣＾??Ｓｎ〇２??图１－２几种常见半导体材料能带结构图??根据结构的不同，半导体光电极也可以分为零维纳米结构（如量子点），一维纳米结构??（如纳米线，纳米管，纳米棒结构等），二维纳米结构（如层状，网状，纳米片结构等），以??及三维纳米结构（如纳米微球，三维纳米花等）。??１．２．３提高半导体光电化学性能的方法??通过对半导体光电极进行金属或非金属掺杂可以提高半导体光电极的光电转化效率。??例如对半导体进行Ｍｎ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｌａ掺杂等可以使光电极的光电转化效率得到提??高。金属离子可以吸附电子，从而可以促进电极体系中的电荷进行分离和转移。其中贵金??属粒子诸如Ａｕ、
效率。例如，将半导体与其他半导体复合形成异质结构，可以降低电极反应过程中的活化??能，同时异质结构的存在还能促进电子和空穴对的有效转移和分离。也可以利用高电子迁??移率或高光响应的助催化剂材料（石墨烯１３１１等）与半导体进行复合也能明显提高半导体的??光电转化效率。??我们也可以通过其他物理手段或合成手段对半导体光电化学性能进行改性。一般来说，??微观尺寸较小的样品，相比于尺寸较大的样品更容易获得优异的光电性能。在合成过程中，??添加矿化剂、稀土离子等形态调控物质，使合成的半导体材料具有更小的晶格缺陷也有助??于光电化学性能的提高。近年来，也有相关研宄表明，在超声、微波等条件下，部分半导体??的光电化学性能相对常态环境下的性能有着明显的提升［３２］。??１．３ＢＴ０半导体简介??１．３．１钛酸钡的基本性质??钛酸钡（ＢＴＯ）是一种Ｎ型宽禁带无机半导体材料，分子式为ＢａＴｉＣｂ，相对分子质量??为２３３。常温下为白色粉末，是一种熔融化合物，熔点为１６１８。（＾?ＢＴＯ有着多种物相结构，??且会随着温度的变化而发生改变。当处在１４６０Ｔ？１６１８°Ｃ范围时，ＢＴＯ为不具有铁电性的??立方晶相。当处在温度为５°Ｃ？１３０°Ｃ时，ＢＴＯ则会由无铁电性的立方相转化为具有铁电性??的四方相晶格结构。不同温度下ＢＴＯ晶格转化示意图如图１－３所示。??／Ｉ？?ｙ??＇，??－??陕靡??图１－３不同温度下ＢＴＯ晶格转化示意图??当钛酸钡为四方晶相时，ＢＴＯ的自发极化可以沿着晶格的不同轴向进行，其中自发极??化方向相同的晶胞所在的区域会形成电畴，每个不同方向电畴的交界区域会形成畴壁。为??４??
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯-纳米二氧化钛复合材料的绿色制备及性能研究[J]. 刘雯雯,柴涛,兰树仁,张新宇. 现代化工. 2020(03)
[2]NiO/TiO2复合纳米管的水热制备及光催化性能[J]. 王竹梅,李月明,廖润华,沈宗洋,左建林. 光子学报. 2019(03)
[3]无铅四方相钙钛矿短周期超晶格压电效应机理研究[J]. 朱振业. 物理学报. 2018(07)
[4]微乳液-直接沉淀法合成纳米BaTiO3粉体[J]. 高景龙,李勇,何金桂,李爽. 化学与粘合. 2010(02)
[5]太阳能光催化制氢研究进展[J]. 温福宇,杨金辉,宗旭,马艺,徐倩,马保军,李灿. 化学进展. 2009(11)
[6]TiO2掺杂La和Ce离子光催化薄膜的微结构与催化特性研究[J]. 钱天才,王绍华. 分析测试学报. 2006(03)
[7]水热法制备四方相BaTiO3及其晶相转化机理[J]. 翟学良. 硅酸盐学报. 2000(04)
[8]半导体光催化[J]. 董庆华. 感光科学与光化学. 1993(02)
本文编号：3449842
【文章来源】：中央民族大学北京市 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１光电化学分解水示意图??
因此，促进光生电子空穴对的分离和转移是提高半导体光电极光电转换效率的关键和有效??途径。??１．２．２半导体光电极的种类??下图１－２为几种常见半导体光电极的能带位置示意图。根据半导体的能带位置和禁带??宽度的差异［２１】，我们可以将半导体光电极材料分为宽禁带和窄禁带半导体材料。其中宽禁??带半导体通常是一些金属的弱酸盐（如钛酸盐、铌酸盐、镓酸盐等）及一些过渡族的金属??氧化物或碳氮化物（如ＺｎＯ、ＴＣｈ、Ｓｎ０２［２２】、〇３＾２３］等）。窄禁带半导体则通常是部分金属??的硫化物、含氧化物等（如ＣｄＳ、Ｍｎ０２、Ｗ０３等）。??０??１?－１?－?—??—＞?■丨■■■■■■?■??＞????ＵＪ??????Ｘ?＞??ｚ?ｉ?－?寻?ｓ??５?…■＜？．…ｖ？…ｒ?＞？…－ｔ?ｓ??〇?，??—＾?ｃｄｓ?Ｎ?－ｒ￣?ｓ」－??－３?－?ｉｔ?Ｆｅ２°３?ｒ?Ｚｎ０??ＢａＴｉＯａ?￣＾??Ｓｎ〇２??图１－２几种常见半导体材料能带结构图??根据结构的不同，半导体光电极也可以分为零维纳米结构（如量子点），一维纳米结构??（如纳米线，纳米管，纳米棒结构等），二维纳米结构（如层状，网状，纳米片结构等），以??及三维纳米结构（如纳米微球，三维纳米花等）。??１．２．３提高半导体光电化学性能的方法??通过对半导体光电极进行金属或非金属掺杂可以提高半导体光电极的光电转化效率。??例如对半导体进行Ｍｎ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｌａ掺杂等可以使光电极的光电转化效率得到提??高。金属离子可以吸附电子，从而可以促进电极体系中的电荷进行分离和转移。其中贵金??属粒子诸如Ａｕ、
效率。例如，将半导体与其他半导体复合形成异质结构，可以降低电极反应过程中的活化??能，同时异质结构的存在还能促进电子和空穴对的有效转移和分离。也可以利用高电子迁??移率或高光响应的助催化剂材料（石墨烯１３１１等）与半导体进行复合也能明显提高半导体的??光电转化效率。??我们也可以通过其他物理手段或合成手段对半导体光电化学性能进行改性。一般来说，??微观尺寸较小的样品，相比于尺寸较大的样品更容易获得优异的光电性能。在合成过程中，??添加矿化剂、稀土离子等形态调控物质，使合成的半导体材料具有更小的晶格缺陷也有助??于光电化学性能的提高。近年来，也有相关研宄表明，在超声、微波等条件下，部分半导体??的光电化学性能相对常态环境下的性能有着明显的提升［３２］。??１．３ＢＴ０半导体简介??１．３．１钛酸钡的基本性质??钛酸钡（ＢＴＯ）是一种Ｎ型宽禁带无机半导体材料，分子式为ＢａＴｉＣｂ，相对分子质量??为２３３。常温下为白色粉末，是一种熔融化合物，熔点为１６１８。（＾?ＢＴＯ有着多种物相结构，??且会随着温度的变化而发生改变。当处在１４６０Ｔ？１６１８°Ｃ范围时，ＢＴＯ为不具有铁电性的??立方晶相。当处在温度为５°Ｃ？１３０°Ｃ时，ＢＴＯ则会由无铁电性的立方相转化为具有铁电性??的四方相晶格结构。不同温度下ＢＴＯ晶格转化示意图如图１－３所示。??／Ｉ？?ｙ??＇，??－??陕靡??图１－３不同温度下ＢＴＯ晶格转化示意图??当钛酸钡为四方晶相时，ＢＴＯ的自发极化可以沿着晶格的不同轴向进行，其中自发极??化方向相同的晶胞所在的区域会形成电畴，每个不同方向电畴的交界区域会形成畴壁。为??４??
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯-纳米二氧化钛复合材料的绿色制备及性能研究[J]. 刘雯雯,柴涛,兰树仁,张新宇. 现代化工. 2020(03)
[2]NiO/TiO2复合纳米管的水热制备及光催化性能[J]. 王竹梅,李月明,廖润华,沈宗洋,左建林. 光子学报. 2019(03)
[3]无铅四方相钙钛矿短周期超晶格压电效应机理研究[J]. 朱振业. 物理学报. 2018(07)
[4]微乳液-直接沉淀法合成纳米BaTiO3粉体[J]. 高景龙,李勇,何金桂,李爽. 化学与粘合. 2010(02)
[5]太阳能光催化制氢研究进展[J]. 温福宇,杨金辉,宗旭,马艺,徐倩,马保军,李灿. 化学进展. 2009(11)
[6]TiO2掺杂La和Ce离子光催化薄膜的微结构与催化特性研究[J]. 钱天才,王绍华. 分析测试学报. 2006(03)
[7]水热法制备四方相BaTiO3及其晶相转化机理[J]. 翟学良. 硅酸盐学报. 2000(04)
[8]半导体光催化[J]. 董庆华. 感光科学与光化学. 1993(02)
本文编号：3449842
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