金屬氧化物及其復(fù)合體系的氣相光電性能與表征.pdf

1、能源短缺與環(huán)境污染已經(jīng)成為全球發(fā)展所面臨的重大難題,因而,開發(fā)新能源與保護(hù)環(huán)境成為當(dāng)前科學(xué)研究的熱點(diǎn)。在太陽光的照射下,利用半導(dǎo)體進(jìn)行光催化降解污染物,是一條既能利用新能源又能實(shí)現(xiàn)環(huán)境凈化的重要途徑。半導(dǎo)體光催化的基本原理是,半導(dǎo)體光催化劑吸收太陽能,產(chǎn)生具有氧化還原能力的電子空穴對,進(jìn)而將有害污染物降解為無毒無害的CO2和H2O。半導(dǎo)體的光電響應(yīng)過程是指半導(dǎo)體材料在一定光源的照射下,產(chǎn)生電子與空穴對,電子在外加電場的驅(qū)動下定向移動,進(jìn)

2、而在外電路中形成光電流的過程。因而,考慮到在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行光催化實(shí)驗(yàn)耗時長、費(fèi)用高等特點(diǎn),也考慮到光催化過程涉及半導(dǎo)體內(nèi)部載流子的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)移等基本過程,所以,研究半導(dǎo)體材料的光電響應(yīng)過程,對于指導(dǎo)光催化材料的設(shè)計(jì)與探討光催化反應(yīng)的機(jī)理有重要的意義。因此,本文致力于研究金屬氧化物及其復(fù)合體系的氣相光電性能,進(jìn)而探討載流子的產(chǎn)生、分離、復(fù)合、捕獲等基本過程。
　　本文首先從金屬氧化物復(fù)合體系出發(fā),基于組合材料學(xué)的思想,設(shè)計(jì)了由66個成分點(diǎn)

3、組成的TiO2/WO3/MnO2三元復(fù)合體系的材料庫。并通過球磨和絲網(wǎng)印刷的方法并行制備了相應(yīng)的66個光電器件。借助自行搭建的光電性能綜合測試平臺,我們高通量表征了所有器件的光電性能。結(jié)果表明,在66個成分點(diǎn)中,TiO2/WO3/MnO2摩爾比例為2:8:0的成分點(diǎn),在白光、紫外、藍(lán)光與綠光照射下均有最好的光電性能,這要?dú)w因于WO3本身的特性與TiO2/WO3復(fù)合體系的能帶匹配模式,錯開型的能帶匹配有效地促進(jìn)了載流子的分離。靠近TiO2

4、角沒有明顯光電響應(yīng)的原因要?dú)w結(jié)于所施加的偏壓0.2V過低,因?yàn)楫?dāng)偏壓為10V時,TiO2表現(xiàn)出相對較為明顯的光電響應(yīng)。而靠近MnO2角沒有明顯光電響應(yīng)的原因,可能是由于MnO2相在燒結(jié)過程中向Mn2O3相轉(zhuǎn)變,當(dāng)Mn2O3的量過多時,Mn2O3可能會加劇載流子的復(fù)合,從而導(dǎo)致載流子的復(fù)合率大大的增加,進(jìn)而導(dǎo)致外電路中光電流不明顯。
　　鑒于TiO2在過低的偏壓條件下沒有明顯的光電響應(yīng),因而,為了進(jìn)一步研究TiO2及其復(fù)合體系的光電

5、性能,我們引入了敏化劑CdS對TiO2進(jìn)行敏化改性。我們首先制備了純TiO2器件,并通過連續(xù)離子層吸附反應(yīng)法制備了CdS/TiO2復(fù)合體系的器件。之后,我們研究了CdS/TiO2復(fù)合體系的氣相光電性能,并與純的TiO2進(jìn)行了對比。結(jié)果表明,CdS/TiO2復(fù)合體系無論是在紫外還是在白光照射的條件下,均表現(xiàn)出更加優(yōu)異的光電性能。
　　在研究了由敏化劑CdS與金屬氧化物TiO2組成的復(fù)合體系的氣相光電性能的基礎(chǔ)上,我們擴(kuò)展了復(fù)合體系的

6、形式,制備了CdS/ZnO復(fù)合體系,并測試了CdS/ZnO復(fù)合體系與純ZnO分別在紫外與白光照射下的氣相光電性能。結(jié)果表明,在白光照射的條件下,純ZnO也有較為明顯的光電響應(yīng);同時,特別的是,在僅僅施加0.01V的偏壓時,CdS/ZnO復(fù)合體系就能展現(xiàn)出非常明顯的光電流響應(yīng),且其光電流幅值相對于純ZnO而言提高了153倍。由于很多文獻(xiàn)報道,ZnO基材料的光電性能的獲取都是在幾十伏的偏壓下進(jìn)行的,因此,該研究結(jié)果對于節(jié)約能源和實(shí)際應(yīng)用有著

7、非常重要的意義。
　　因?yàn)榧僙nO在白光照射下,也有光電響應(yīng),且斷光后,光電流不能較快地恢復(fù)到基線水平,所以這說明了斷光后,ZnO內(nèi)部還殘余了大量的電子;通過分析,我們知道這是由于ZnO內(nèi)部存在缺陷所導(dǎo)致的。那么,為了研究殘余電子對光電流曲線的影響,最后,我們還分別測試了ZnO在紫外與白光照射下的光電流循環(huán)曲線。結(jié)果表明,紫外條件下,斷光后每個循環(huán)對應(yīng)的光電流都能夠恢復(fù)到基線附近,且每個循環(huán)的光電流幅值能基本保持一致;而在白光條件