氧化物半导体异质结构的合成及光电化学分解水性能研究
[Abstract]:Due to the decreasing of fossil fuels and the negative effects on the environment, researchers are more and more interested in using solar energy to decompose water to produce hydrogen energy. The application of solar pyrolysis water to hydrogen production needs to reduce the cost of catalyst and improve the efficiency of decomposition water. The photochemical (PEC) decomposes the water to produce hydrogen synthetically uses the solar energy and the electric energy, this is advantageous to raise the decomposition water efficiency. In order to further improve the efficiency of water decomposition of PEC, it is necessary to improve the capture ability of incident light, the transport / separation ability of photogenerated charge and the kinetic process of water oxidation on the surface of photoanode. Semiconductor heterostructure as PEC photoanode is very effective in improving electron transmission, optical trapping ability and surface reaction efficiency. This paper focuses on the synthesis of heterooxide semiconductor materials and their applications in water decomposition by PEC. The main research contents are as follows: (1) Synthesis of 3D TiO2/ZnO heterostructures and study on the water decomposition properties of PEC. TiO2 nanorod arrays were synthesized on FTO substrates by hydrothermal method. Then TiO2 nanorod arrays were used as the substrate to modify ZnO seeds. The three-dimensional TiO2/ZnO heterostructure arrays were obtained by hydrothermal reaction in the precursor solution of ZnO. The morphology of 3D TiO2/ZnO was regulated by changing the concentration of precursor solution, reaction temperature and reaction time, and the effect on PEC activity was studied. The experimental results show that the concentration of zinc nitrate is 10mm, and the reaction temperature and time are 90oC and 3h, respectively. The photocurrent of TiO2/ZnO at 1.23 V vs RHE can reach 1.13 mA/cm2 (1.23 V vs RHE), nearly four times that of pure ZnO nanorods (0.3 mA/cm2), and nearly twice that of pure TiO2 (0.6 mA/cm2). Compared with TiO2 and ZnO photoanode, the carrier density and electron lifetime of 3D TiO2/ZnO heterostructure are improved obviously. The results of optical absorption and kinetic measurements show that the three-dimensional TiO2/ZnO heterostructure can improve the photocapture ability of the photoanode and enhance the carrier density and charge transport and separation efficiency. (2) Synthesis of WO3/ZnO heterostructure and study on PEC decomposition of water. Firstly, ZnO nanorods were grown on FTO conductive substrate by chemical bath method. The effect of reaction time on the morphology and properties of ZnO films was studied. According to the photochemical test results, the ZnO photoanode prepared at the reaction time of 3 h showed high PEC performance. WO3/ZnO heterostructure was synthesized by hydrothermal method using ammonium paratungstate as raw material and ZnO nanorod array as substrate. The photocurrent density of the photoanode, WO _ 3 / ZnO heterostructure used as the photoanode to decompose water for PEC was 1.225 mA/cm2 (1.23 V vsRHE), twice as high as that of pure ZnO photoanode (0.508 mA/cm2). It is proved by Mott-Schottky and EIS that the increase of photocurrent in WO3/ZnO heterostructure is due to the broadening of visible light response and the increase of carrier density in WO3/ZnO heterostructure. In addition, the charge separation and charge transport at the interface also increased significantly. (3) the synthesis of CuWO4/WO3 composites and the water decomposition properties of PEC. WO3 nanorods with a diameter of about 50nm were successfully synthesized by hydrothermal method, and then CuWO4/WO3 heterostructures were prepared by mild soaking and calcination. Because the CuWO4 deposited on the WO3 surface adjusts the band gap of the composite structure, the light absorption of the composite structure increases obviously. The photocurrent (1.731 mA/cm2) (1.23V vs RHE) of CuWO4 / WO _ 3 material was nearly doubled when compared with exposed WO3. Electrochemical impedance and Mott Schottky measurements show that the heterostructure can significantly enhance the carrier density and charge transfer rate, and the material can exhibit better performance.
【学位授予单位】:河南师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN303
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本文编号:2229469
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