Au修飾氧化物的合成及光電化學(xué)分解水性能研究.pdf

1、光電化學(xué)光解水制氫是一種利用太陽(yáng)能和可再生的水資源制得清潔能源的最具吸引力的研究之一。光電化學(xué)電池(PEC)是一種利用感光性半導(dǎo)體和電解液將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)的光電化學(xué)器件，它具有制備工藝簡(jiǎn)單、環(huán)境友好、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。光電極材料的組成和構(gòu)造影響對(duì)入射光的吸收和應(yīng)用效率，影響電子的傳輸和收集效率，光電極的性能在一定程度上決定了整個(gè)電池的光電化學(xué)性能，所以提高光電極的光電化學(xué)性質(zhì)是提高PEC光轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素。貴金屬的表面等

2、離子體共振(S PR)效應(yīng)，可以擴(kuò)大對(duì)入射光響應(yīng)范圍、增強(qiáng)對(duì)入射光的吸收、增大光生電子在光電極中傳輸速率、延長(zhǎng)電子壽命、抑制光生電子-空穴的復(fù)合。
　　本文通過水熱法和化學(xué)浴法合成WO3和ZnO薄膜作為光陽(yáng)極材料，用Au納米顆粒對(duì)其修飾，利用Au納米顆粒的SPR效應(yīng)，提高對(duì)可見光的吸收并且抑制光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合，提高光電化學(xué)析氫能力。本文主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)通過水熱法合成大小約100 nm的WO3納米顆粒，刮涂

3、法涂到FTO導(dǎo)電基板上，并以此作為光陽(yáng)極。將NaBH4還原HAuCl4制備的Au納米顆粒溶膠用滴涂法修飾到WO3光陽(yáng)極表面，以滴加次數(shù)控制WO3表面Au的原子分?jǐn)?shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)Au的含量達(dá)到0.32 at％時(shí)，WO3-10Au光陽(yáng)極在參比電壓1.0 Vvs Ag/AgCl時(shí)，光電流密度達(dá)到0.44 mA·cm-2是裸露的WO3光陽(yáng)極(0.12 mA·cm-2)的3.7倍。Au修飾光陽(yáng)極由于Au納米顆粒的表面等離子體共振效應(yīng)，提高對(duì)可

4、見光的吸收，增大載流子密度，提高電子傳輸速率，這些因素都利于提高光電化學(xué)性質(zhì)。
　　(2)利用一步水熱法在FTO導(dǎo)電玻璃上生長(zhǎng)WO3納米棒陣列，并研究醇和水的體積比對(duì)WO3薄膜形貌的影響，實(shí)驗(yàn)表明水利于生成棒狀的WO3，乙醇利于WO3直接生長(zhǎng)在FTO導(dǎo)電玻璃表面上，醇水體積比為5∶5、煅燒溫度為500℃時(shí)得到的WO3納米棒陣列光電性能最好。利用光還原的方法在WO3納米棒表面修飾不同量的Au納米顆粒，以Au/WO3-2的光電流密度最

5、大（1.24 mA·cm-2在1.0Vvs Ag/AgCl），比WO3光電極的光電流密度（0.726 mA·cm-2在1.0 V vs Ag/AgCl）高出71％。這主要是由于Au的SPR共振效應(yīng)有利于擴(kuò)大光的吸收范圍，增強(qiáng)對(duì)光的吸收強(qiáng)度，提高電子傳輸效率，促進(jìn)光生電荷的分離，提高光電轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)由于Au的SPR效應(yīng)降低費(fèi)米能級(jí)，更加有利于氧化反應(yīng)進(jìn)行，Au修飾的光陽(yáng)極在參比電極Ag/AgCl下電壓為0V時(shí)既有光電響應(yīng)，而WO3在+0

6、.4Vvs Ag/AgCl時(shí)才有了光電響應(yīng)，利用Mott-Schottky計(jì)算出的平帶電位證明了這一結(jié)論。
　　(3)利用化學(xué)浴法在ITO玻璃表面生長(zhǎng)ZnO納米棒陣列(ZNR)，滴涂-熱分解的方法制備Au負(fù)載ZnO光陽(yáng)極(ZNRA)，研究Au負(fù)載量對(duì)光陽(yáng)極光電化學(xué)分解水的性能及穩(wěn)定性的影響。測(cè)試結(jié)果表明:Au負(fù)載量從0at％增加到2.6 at％，ZNRA25光陽(yáng)極的光電流密度達(dá)到0.24 mA·cm-2(1.0V vs Ag/Ag