纳米氧化锌复合光阳极的光电化学性能研究

发布时间：2018-03-10 07:22

  本文选题：氧化锌　切入点：复合结构　出处：《北京科技大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：ZnO是一种n型直接宽带隙Ⅱ-Ⅵ族金属氧化物半导体材料,具有一系列独特的光学和电学性能,被广泛应用于太阳能电池和光电化学电池等能量转换器件。基于此材料,利用了表面修饰(金纳米颗粒、ZnS中间层和Al_2O_3钝化层)和掺杂等手段,构建了功能相互弥补的ZnO复合纳米结构,实现了ZnO/ZnS/Au、ZnO/Au/Al_2O_3和ZnO:V光阳极的设计与构建。此外,成功设计合成了二维纳米片/一维纳米棒混合维度分级结构,实现了ZnO/CdS/Ni(OH)2异质结光阳极的构建。系统研究了能带调控、表面钝化、外电场极化及结构优化设计等机制对光生载流子的产生、分离和复合等行为的调控作用,探索了提高光阳极光电化学性能的有效途径。针对能带调控,在ZnO纳米棒表面原位合成了 ZnS层和Au纳米颗粒。ZnO/ZnS界面处存在的晶格应变导致了界面处ZnO的禁带宽度减小,有利于热电子从Au注入到ZnO导带,增加了光阳极在可见光区域的光电转换效率。ZnO/ZnS/Au的光转氢效率分别为ZnO/Au和ZnO光阳极的2倍和3.5倍。针对表面钝化作用,在修饰有Au纳米颗粒的ZnO纳米棒上,通过原子层沉积法在ZnO表面沉积了Al_2O_3钝化层。A1203层的表面钝化作用减少了ZnO表面光生载流子的复合,使光阳极的光转氢效率提升至0.68%,分别为ZnO/Au和ZnO光阳极的1.7倍和6.7倍。针对外电场极化,成功实现了 ZnO纳米棒阵列钒掺杂的可控制备。适量钒掺杂减少了界面光生载流子的复合,增大了固液界面处能带弯曲,促进了光生载流子的有效分离,使光阳极光转氢效率达到0.83%,相比于纯ZnO光阳极效率提升了 120%。钒掺杂为ZnO纳米棒引入铁电性,利用外电场对光阳极进行极化,进一步调控界面处的能带弯曲。当施加负偏压极化时,增大了固液界面处能带弯曲,促进了光生载流子的分离,使光电流的开启电压负移,光阳极光转氢效率提升至1.04%,相较于极化之前的效率提升了 25%。针对结构优化设计,实现了二维ZnO纳米片-一维ZnO纳米棒(2D/1D)混合维度结构的制备。FDTD模拟结果表明,该2D/1D分级结构在增加可见光吸收材料CdS负载量的同时,提升了 ZnO/CdS异质结的有效结区面积,实现了光生载流子的高效产生和有效分离。修饰Ni(OH)2催化剂后,Ni2+/Ni3+/Ni4+一系列氧化还原反应加速了光生空穴的消耗,使光转氢效率提升至4.12%,为ZnO纳米片光阳极的20.6倍;同时空穴的快速消耗减少了光生空穴在CdS表面的累积,从而抑制了 CdS的光腐蚀现象发生,提升了光阳极的稳定性。本研究深入研究了不同形式ZnO基复合结构光阳极的光电化学性能及其相对应性能增强手段的工作机制。通过该研究,丰富了 ZnO纳米材料在光电化学领域的应用,为ZnO纳米材料在能量转换器件方面的应用提供了理论指导和实验基础。
[Abstract]:ZnO is a kind of n-type direct wide band gap 鈪，

本文编号：1592317