氧化物半导体光阳极的制备和性能研究

发布时间：2020-04-12 08:32

【摘要】：光电催化分解水可以将光能直接转化为氢能,成为解决能源问题的可能途径之一。目前光阳极的光电催化性能偏低,很大程度上制约了光电催化在分解水中的应用。近年来,人们在改善氧化物半导体光阳极材料的光电催化性能方面取得了长足进步,尤其是在光阳极的掺杂和表面复合或修饰方面。但是人们对于掺杂或表面复合过程对光阳极综合性能的影响关注不够,而这一点对于光阳极的实际应用至关重要。针对这一问题,我们选取了目前广泛研究的Fe_2O_3和WO_3光阳极材料,分别对掺杂和修饰后影响光电流和起始电位的关键因素进行了研究,主要工作内容如下:采用TiCl_3溶液后处理的方法,制备了Ti掺杂Fe_2O_3纳米棒阵列。通过结构分析和表征,我们发现Ti掺杂导致Fe_2O_3表面的无序结构增多。光电化学测试结果表明,Ti掺杂可以显著提升Fe_2O_3光阳极在高电位下的光电流,但同时引起了起始电位的正移。为了揭示起始电位正移的原因,我们进行了详细的电化学表征和电极反应过程分析。由于Ti掺杂前后Fe_2O_3光阳极的水氧化反应都是表面态参与的反应过程,因此表面无序结构的增多使Fe_2O_3薄膜的表面态增多,由此减慢了薄膜表面水氧化反应的动力学,在低电位、光照条件下的电荷复合严重。更多的表面态以及低电位下大的电荷转移电阻使得起始电位发生了明显的正移,而电位升高时,由于外加偏压克服了表面电荷转移势垒,更多的表面态则加速了表面反应,使光电流快速增加。采用氧空位还原和光化学还原方法,分别在WO_3薄膜上负载了Au纳米颗粒,研究不同负载方法对Au颗粒的尺寸和分散状态的影响,以及不同Au颗粒对WO_3光阳极性能的影响。通过氧空位还原方法负载的Au颗粒为10-45 nm,结晶性良好,而光化学还原方法负载的Au颗粒为1-2 nm。初步实验结果表明,在相同Au负载量的条件下,两种Au颗粒的修饰都会减小WO_3薄膜的界面电荷转移电阻,但是大尺寸Au修饰后WO_3薄膜的光电流明显增加,但起始电位基本不变,其增强机制源于等离子体共振能量转移和热电子注入;而小尺寸Au颗粒修饰后WO_3薄膜的起始电位出现明显负移,光电流的增加并不显著,因此增强机制主要是表面催化作用。
【图文】：

能级结构,半导体,价带,导带

在这个间隙内没有能级存在，被称为禁带。当光价带中的电子会吸收能量大于禁带宽度的光子，跃迁到导带，电子，而在价带中留下了空穴。导带中的电子和价带中的空穴和阳极表面，与水发生还原、氧化反应，生成氢气和氧气（公2()2e HHER (1-1)22()221hOHOER (1-2)HO,G237kJ/mol2212 (1-3)应在阴极发生，OER 反应在阳极发生。从公式(1-3)可以看出，应，产生 1 mol 氢气需要外加 237 kJ 的能量，对应的电压为 1.2一半导体而言，仅靠吸收光来实现水的全分解，则需要禁带宽度半导体能带的位置也需要跨越水的还原和氧化能级，即导带底负，价带顶 Ecb要比 E0(O2/H2O)更正，如图 1.1 所示。

形貌,高能电子,相互作用,现象

23图 2.1 高能电子与物质相互作用所发生的现象[96]描电子显微镜的放大倍数一般最大为 200,000 倍。当聚焦的电子束照射会产生如图 2.1 所示的各种信号。SEM 收集二次电子(Secondary electron示样品的形貌[97]。另外，，SEM 上可以配备 X 射线能谱仪(EDS)等附件析样品的元素组成。SEM 具有图像立体感强、景深大、制样简单的优研究在制样时为了增加薄膜的导电性，在正面（导电面）也用导电胶。透射电子显微镜(TEM)射电子显微镜的放大倍数一般最大为 1,000,000 倍。高分辨的图像和选以用于晶体结构的解析，同时也可以配备 EDS 附件用于分析元素组成
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ116.2;TQ426

【参考文献】