氧化物半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的合成及光電化學分解水性能研究.pdf

1、由于化石燃料的不斷銳減以及其給環(huán)境所帶來的負面影響，致使研究者對于利用太陽能分解水制備氫能越來越有興趣。太陽能裂解水制氫的推廣應(yīng)用需要降低催化劑的成本以及提高分解水效率。光電化學(PEC)分解水制氫綜合利用太陽能和電能，這有利于提高分解水效率。為了進一步提高PEC分解水效率，需要提高光陽極對入射光的捕獲能力、光生電荷的傳輸/分離能力以及光陽極表面的水氧化動力學過程。半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)作為PEC光陽極在提高電子傳輸、提高光捕獲能力、提高表面反

2、應(yīng)效率等方面都非常有效。本文著重于異質(zhì)氧化物半導體材料的合成以及在PEC分解水方面的應(yīng)用，主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)三維TiO2/ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)的合成及PEC分解水性能研究。利用水熱法在FTO基底上合成TiO2納米棒陣列，然后以TiO2納米棒陣列為基底修飾ZnO晶種，隨后在ZnO的前驅(qū)液中進行水熱反應(yīng)得到三維TiO2/ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)陣列。通過改變前驅(qū)液濃度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間調(diào)控三維TiO2/ZnO的形貌并研究對PEC活性的影

3、響。實驗結(jié)果表明硝酸鋅的濃度為10mM，反應(yīng)溫度與時間分別為90℃和3h得到的三維TiO2/ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在1.23V vs RHE光電流能夠達到1.13mA/cm2(1.23V vs RHE)，是純ZnO納米棒（0.3mA/cm2）的近四倍、純TiO2(0.6mA/cm2)的近二倍。與TiO2和ZnO光陽極相比，三維TiO2/ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)的載流子密度及電子壽命均有明顯提高。光吸收及動力學測試結(jié)果表明三維TiO2/ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)有利

4、于提高光陽極的光捕獲能力、增強載流子密度及其電荷傳輸與分離效率，表現(xiàn)出優(yōu)異的光電化學性能。
　　(2)WO3/ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)的合成及PEC分解水性能研究。首先通過化學浴法在FTO導電基板上生長ZnO納米棒。研究了反應(yīng)時間對ZnO薄膜形貌和性能的影響。根據(jù)光電化學測試結(jié)果，反應(yīng)時間為3h制備的ZnO光陽極表現(xiàn)出較高的PEC性能。隨后利用仲鎢酸銨為原料，以ZnO納米棒陣列為基底通過水熱法合成了WO3/ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并作為PEC分解水

5、的光陽極。WO3/ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光電流密度是1.225mA/cm2(1.23V vs RHE)，是純ZnO光陽極的兩倍(0.508mA/cm2)。通過Mott-Schottky和EIS證實WO3/ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電流提高的原因在于WO3/ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)擴寬了可見光響應(yīng)、增加了載流子密度，另外界面處的電荷分離以及電荷傳輸也明顯增加。
　　(3)CuWO4/WO3復(fù)合材料的合成及PEC分解水性能研究。根據(jù)水熱法可成功合成直徑約為50