基于三氧化钨的异质结制备及其光电化学水分解行为研究

发布时间：2017-08-11 01:12

  本文关键词：基于三氧化钨的异质结制备及其光电化学水分解行为研究

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【摘要】：当今,能源危机和环境污染是制约我国经济社会发展的重要问题,新型清洁能源从而引起了人们广泛的关注。而在清洁能源中,太阳能资源丰富、普遍、经济,且取之不竭、用之不尽;氢能则广泛存在于自然界中,尤其在地球上最为丰富的水资源中。自1972年,K.Honda和A.Fujishima实验发现利用半导体TiO_2电极和铂电极构建的光电反应电池,在外加偏压和光照情况下,在铂电极上能检测到氢气的产生,从而开启了利用半导体材料进行太阳能分解水制氢的大门,有效地将太阳能和氢能结合起来。三氧化钨是一种重要的半导体材料,因其对可见光响应好、廉价、无毒、稳定性好等优点,其被广泛应用于有机物降解和光解水。然而,其自身也存在光生电子与空穴复合严重和光生载流子迁移速率慢的缺点,较严重地限制了其应用。本论文采用BiVO_4/Bi_2S_3和In_2S_3对三氧化钨薄膜电极进行表面修饰,形成的复合异质结结构有效地提高了光电化学水分解性能,并进一步分析探讨了光生载流子在这些异质结光电极中的转移机理。本论文研究分为二个部分:1.BiVO_4/Bi_2S_3修饰WO_3光电极的制备及其光电化学水分解性能研究首先水热法制备垂直阵列的WO_3纳米片薄膜,继而在WO_3薄膜表面旋涂并高温退火形成BiVO_4层,制得WO_3/BiVO_4异质结;其次,采用连续离子沉积法在WO_3/BiVO_4异质结表面修饰Bi_2S_3,并真空退火使其结晶;最终,制得WO_3/BiVO_4/Bi_2S_3异质结光阳极。通过形貌与结构表征,表明成功制备了BiVO_4/Bi_2S_3修饰的垂直阵列的WO_3纳米片薄膜复合结构。对电极进行紫外-可见光吸收研究表明BiVO_4/Bi_2S_3修饰的复合结构扩大了对可见光的吸收范围,提高了太阳光利用率。通过光电化学性能表征发现,在1.23 V(vs.RHE)处,WO_3/BiVO_4/Bi_2S_3相对于未修饰WO_3其光电流密度提高了3.92倍,可达到2.2 mA cm-2;在0.49 V(vs.RHE)处,最高光电转换效率可达0.4%,相对于未修饰WO_3的纳米片结构提高了10倍。WO_3/BiVO_4/Bi_2S_3电极的起始电位更负,表明BiVO_4/Bi_2S_3修饰的复合结构能够有效改善电极的析氧动力学。对光阳极进行量子效率测试和电化学阻抗谱分析其机理,发现WO_3/BiVO_4/Bi_2S_3复合结构相对于未修饰的WO_3光阳极在可见光区域具有较高的量子转换效率,WO_3/BiVO_4/Bi_2S_3异质结能够有效促进光生电子-空穴对的分离。2.WO_3/In_2S_3异质结光电极的制备及其光电化学行为研究首先水热法制备垂直阵列的WO_3纳米片薄膜,并高温退火提高电极结晶性;然后,在WO_3薄膜表面用连续离子沉积法沉积不同厚度的In_2S_3;最后,在250℃真空处理得到高性能WO_3/In_2S_3异质结光阳极。通过形貌与结构表征发现成功制备了In_2S_3修饰的垂直阵列的WO_3纳米片薄膜复合结构。对WO_3和WO_3/In_2S_3进行紫外-可见光吸收研究表明In_2S_3修饰的异质结扩大了对可见光的吸收范围,提高了太阳光利用率。通过光电化学行为研究,在1.23 V(vs.RHE)处,发现WO_3/In_2S_3相对于WO_3其光电流密度提高了2.14倍,可达到1.2 mA cm-2;在0.49 V(vs.RHE)处,最高光电转换效率可达0.29%,相对于未修饰的WO_3提高了7.25倍。对光阳极进行量子效率测试和电化学阻抗表征来揭示其内在机理,WO_3/In_2S_3异质结能够有效提高可见光光区的光吸收,以及促进光生电子-空穴对的有效分离。本论文的研究结果表明,通过将WO_3与窄带隙半导体复合形成异质结,极大地改善了光电极在光电化学水分解中的动力学,并显著地扩大了对可见光的吸收范围,从而提高光电化学水分解的性能。
【关键词】：光解水 光电催化 异质结 三氧化钨 可见光
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TQ116.2
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-11
• 第1章 绪论11-27
• 1.1 光电化学水分解背景介绍11-13
• 1.2 光电化学水分解原理介绍13-17
• 1.2.1 光电化学水分解基本原理13
• 1.2.2 光电化学水分解基本过程13-15
• 1.2.3 光电化学水分解存在的问题15-16
• 1.2.4 光电化学水分解电极类型16-17
• 1.3 提高光电化学水分解性能途径17-21
• 1.3.1 半导体光阳极组份优化18-21
• 1.3.2 半导体光阳极形貌结构优化21
• 1.4 WO_3光电极材料研究进展21-24
• 1.4.1 WO_3基本性质22
• 1.4.2 WO_3光阳极的制备方法22-23
• 1.4.3 提高WO_3光电极性能的方法23-24
• 1.5 本论文研究思路与内容24-27
• 第2章 实验方法27-35
• 2.1 化学药品27
• 2.2 实验设备27-28
• 2.3 材料合成方法28-30
• 2.3.1 水热法28
• 2.3.2 旋涂法28-29
• 2.3.3 连续离子层吸附与反应沉积法29-30
• 2.4 材料结构表征30-31
• 2.4.1 场发射扫描电子显微镜30
• 2.4.2 能量色散谱仪测试30
• 2.4.3 场发射透射电子显微镜30-31
• 2.4.4 X射线衍射分析31
• 2.4.5 紫外-可见光谱分析31
• 2.4.6 X射线光电子能谱法31
• 2.5 光电化学性能测试31-35
• 2.5.1 线性扫描伏安法和光电化学转换效率32
• 2.5.2 瞬态电流测试32-33
• 2.5.3 电化学交流阻抗谱33
• 2.5.4 光电转换效率33-35
• 第3章 BiVO_4/Bi_2S_3修饰WO_3光电极的制备及其光电化学水分解行为研究35-45
• 3.1 引言35
• 3.2 WO_3/BiVO_4 /Bi_2S_3光电极制备35-36
• 3.2.1 垂直阵列WO_3纳米片薄膜制备35-36
• 3.2.2 WO_3/BiVO_4光电极的制备36
• 3.2.3 BiVO_4/Bi_2S_3和WO_3/BiVO_4/Bi_2S_3光电极的制备36
• 3.3 结果与讨论36-43
• 3.3.1 WO_3和WO_3/BiVO_4 /Bi_2S_3的形貌分析36-37
• 3.3.2 WO_3和WO_3/ BiVO_4 /Bi_2S_3的成份分析37-38
• 3.3.3 WO_3和WO_3/BiVO_4/Bi_2S_3的TEM分析38
• 3.3.4 WO_3/BiVO_4 /Bi_2S_3异质结的晶体结构分析38-39
• 3.3.5 WO_3和WO_3/BiVO_4/Bi_2S_3的表面分析39-40
• 3.3.6 WO_3, BiVO_4/Bi_2S_3和WO_3/BiVO_4/Bi_2S_3的光吸收性质40-41
• 3.3.7 WO_3,BiVO_4 /Bi_2S_3和WO_3/BiVO_4 /Bi_2S_3的电化学阻抗分析41
• 3.3.8 WO_3, BiVO_4 /Bi_2S_3和WO_3/BiVO_4/Bi_2S_3的I-T曲线分析41-42
• 3.3.9 WO_3, BiVO_4/Bi_2S_3和WO_3/BiVO_4/Bi_2S_3电极光电化学性能42-43
• 3.3.10 WO_3, BiVO_4 /Bi_2S_3和WO_3/BiVO_4 /Bi_2S_3的IPCE分析43
• 3.4 WO_3/BiVO_4/Bi_2S_3光电极中电子传输机理43-44
• 3.5 本章小结44-45
• 第4章 WO_3/In_2S_3异质结的制备及其光电化学行为研究45-55
• 4.1 引言45
• 4.2 实验部分45-46
• 4.2.1 垂直阵列WO_3薄膜制备45
• 4.2.2 WO_3/In_2S_3光电极制备45-46
• 4.3 结果与讨论46-52
• 4.3.1 WO_3和WO_3/In_2S_3电极形貌分析46
• 4.3.2 WO_3和WO_3/In_2S_3电极成份分析46-47
• 4.3.3 WO_3和WO_3/BiVO_4/Bi_2S_3的TEM分析47-48
• 4.3.4 WO_3和WO_3/In_2S_3的晶体结构分析48
• 4.3.5 WO_3和WO_3/In_2S_3的表面分析48-49
• 4.3.6 WO_3和WO_3/In_2S_3的光吸收性质49-50
• 4.3.7 WO_3和WO_3/In_2S_3电极电化学交流阻抗分析50
• 4.3.8 WO_3和WO_3/In_2S_3的I-T曲线分析50-51
• 4.3.9 WO_3和WO_3/In_2S_3电极光电化学性能51-52
• 4.3.10 WO_3和WO_3/In_2S_3电极量子效率52
• 4.4 WO_3/In_2S_3光电极中电子传输机理52-53
• 4.5 本章小结53-55
• 第5章 本论文结论与展望55-57
• 5.1 本论文结论55-56
• 5.2 研究展望56-57
• 参考文献57-73
• 发表论文与科研成果73-75
• 致谢75

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