基于多孔光子晶体异质结的光催化制氢研究

发布时间：2018-04-13 12:35

  本文选题：光子晶体 + 反蛋白石　； 参考：《北京交通大学》2017年硕士论文

【摘要】：反蛋白石(InverseOpals)结构具有调制光子态密度的作用及大的比表面积而被用于本文的光催化研究中。本文研究内容:(1)分别采用电化学沉积法和不同反应前驱体氧源(H2O和O3)的原子层沉积(ALD)法制备了 ZnO IOs,对比评价了这三种制备方法所得ZnO的结晶质量及对ZnO IOs光催化性能的影响,并基于获得最佳结晶质量ZnO的O3作氧源的ALD制备方法,分别从不同制备条件(沉积温度、厚度)、Ti02抗光腐蚀层厚度和不同孔径(光子晶体晶格常数)及ALD交替包覆Ti02和A1203对ZnO(03)IOs进行了光催化效率及稳定性方面的优化处理;(2)采用ALD方法制备了 TiOO2 IOs,并通过优化氢化温度(300℃-550℃)和氢化时间(2h-24h),制备可见吸收强度最大的H-Ti02,用以实现可见光分解水制氢;(3)最后成功制备了基于不同光响应的ZnO IOs双叠层异质结及TiO2/H-TiO2叠层异质结,增强光吸收的同时降低载流子的复合几率,改善光解水性能。结果表明:(1)SEM图显示三种不同的制备方法均能获得三维长程有序排列的ZnO IOs,光致发光光谱显示ZnO(O3)IOs具有相对最强的本征发光峰,即结晶质量最好,I-V曲线以及I-t曲线也表明Zn0(03)IOs光电流值最高,达0.8287 mA/cm2,光催化性能最好,而ZnO(H2O)IOs的结晶质量最差,光电流最低,为0.2213mA/cm2,光催化性能最差。ALD包覆TiO2前后的SEM、XPS、EDS元素分析及UV-Vis反射光谱的对比分析均显示锐钛矿型TiO2被成功包覆;(2)ZnO(03)IOs的沉积温度在16℃-240℃范围内,结晶质量随着温度的升高而提高,对应的光电流在 240℃时 1.0050mA/cm2,比 160 ℃时的 0.7683 mA/cm2 高出 30.81%;沉积厚度在170-240圈范围内,吸收光谱吸收峰的位置随着圈数的增加发生微小红移,且吸收光量有所增加,但增强幅度随着总圈数增加而降低。200圈时的光电流为0.8411 mA/cm2,约为170圈时光电流的两倍,在增加30圈到230圈时,光电流只增加了 10%左右。(3)比较在ZnO IOs上共形沉积10圈、30圈TiO2及5*(TiO2(5c)+Al203(1c))、5*(Ti02(5c)+Al203(2c))前后光稳定性的改善情况,光电流测试结果表明,光照20min后,光电流及相对于1min时的光电流衰减比率分别为0.191(65.41%)、0.413(52.58%)、0.573(29.80%)及 0.697(10.06%)、0.689(9.43%),包覆后的光电流相比于包覆前有明显提高,说明Ti02与ZnO形成的TiO2/ZnO同型异质结提高了载流子的传输效率;光稳定性随着Ti02包覆厚度的增加而提高,适量A1203的掺入可以提高材料光稳定性,稍微过量则由于其绝缘特性而影响材料的电导性。(4)155nm、197nm1及238nm孔径的ZnO IO3的反射光谱显示其反射峰位即光子带隙的位置分别问373.7nm、439.4nm和495.0nm。由于光子晶体的慢光效应和多光散射效应,197nm时达到最大光电流0.9285mA.cm2;带隙位置373.7nm正好部分覆盖了用于光催化分解水制氢所在的本征光吸收范围,155nm时的光电流最小,为0.4620mA.cm2。(6)在550℃下氢化10h后,TiO2的禁带宽度变窄,为2.1eV,且价带顶蓝移0.26eV,可见吸收最强,光催化性能最好,氢化TiO2反蛋白石的光电流达到了 541μA/cm2。(7)SEM图显示得到了孔径分别为197nm与327nm的双叠层ZnO IOs,当197nm的ZnO反蛋白石层正对入射光时,光电流达1.0529mA/cm2,高于单层197nm的ZnO IOs时的光电流0.9285 mA/cm2,当327nm的ZnO反蛋白石层正对入射光时,光电流仅为0.8156 mA/cm2,这是由于327nm的IOs光吸收增强的区域主要在600nm,这部分光不能激发197nm ZnO IOs的光催化反应。
[Abstract]:The results show that : ( 1 ) ZnO nanoparticles are prepared by atomic layer deposition ( ALD ) method using electrochemical deposition method and different reaction precursor oxygen source ( H2O and O3 ) . The results show that the photocurrent and the photocurrent of TiO2 / ZnO are 0.191 ( 65.41 % ) , 0.413 ( 52.58 % ) , 0.573 ( 29.80 % ) and 0.697 ( 10.06 % ) , 0.689 ( 9.43 % ) respectively .

【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O643.36;TQ116.2

【参考文献】

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本文编号：1744512