聚吡咯-ZnO納米棒陣列復(fù)合材料的制備及其光電裂解水性能的研究.pdf

1、氫氣是未來友好高效清潔能源之一，而太陽能是一種可再生的自然資源，也對環(huán)境不會造成污染。光電化學(xué)分解水制氫則是制備氫氣一種最具前景的方法。氧化鋅(ZnO)作為一種重要的光催化半導(dǎo)體材料，不同形貌ZnO已得到廣泛研究，其中ZnO納米棒(NRs)由于形貌規(guī)則有序、定向排布、因而具有較優(yōu)的電子傳輸能力和電子空穴分離能力，再加上 ZnONRs擁有較大的比表面積，而可作為光陽極能有效地應(yīng)用于光電催化分解水制氫領(lǐng)域。但由于ZnO是寬禁帶半導(dǎo)體，可見光

2、區(qū)吸光率較低和光生載流子易復(fù)合而猝滅，從而限制了ZnONRs作為光陽極的催化效率的提高。導(dǎo)電聚吡咯（PPy）是一種化學(xué)穩(wěn)定性好、原料來源豐富、在近紅外-可見光區(qū)有很強吸收的空穴傳輸材料，正好可以彌補ZnONRs的缺點，以優(yōu)化ZnONRs的光電催化性能。
　　因此本課題在采用電化學(xué)法制備了規(guī)則整齊的ZnO NRs陣列的基礎(chǔ)上，采用化學(xué)溶液法對其進(jìn)行PPy納米顆粒的化學(xué)修飾，制備一種PPy/ZnONRs復(fù)合電極結(jié)構(gòu)，并采用SEM、XR

3、D、UV-Vis DRS及FTIR等技術(shù)對制備的樣品材料進(jìn)行了表面形貌、晶體結(jié)構(gòu)、光譜性能等進(jìn)行表征。通過對這一系列復(fù)合電極進(jìn)行電化學(xué)測試，分析了作為光陽極的光電催化性能，并討論其電極電荷轉(zhuǎn)移特性。具體內(nèi)容如下：
　　一、通過電化學(xué)沉積法，以導(dǎo)電玻璃（ITO）作為基底，在0.02mol/L的Zn(NO3)2溶液體系中歷經(jīng)2700s制備了高度規(guī)則的ZnONRs陣列（P27）。利用SEM對其形貌進(jìn)行了表征，結(jié)果顯示：ZnONRs表面光

4、滑且排列整齊，棒的平均直徑約為180nm；通過XRD對其結(jié)構(gòu)表征，結(jié)果顯示：ZnONRs是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，并且ZnO沿著C軸進(jìn)行生長；通過UV-Vis光譜顯示：ZnONRs在紫外光區(qū)有強吸收，而在可見光區(qū)幾乎沒有吸收。并且計算出制備樣品的禁帶寬度(Eg)為3.25eV。通過電化學(xué)測試方法考察了ZnONRs的光電響應(yīng)性能，當(dāng)U=0.8V時，P27的電流可以達(dá)到0.36mA/cm2。對比分析了不同沉積時間對ZnONRs陣列形貌和光電性能的影

5、響，結(jié)果表明：在該體系中，ZnO NRs隨著制備時間的增長，ZnONRs的長度在增加，而且光電流也在逐步增加。
　　二、通過化學(xué)溶液法成功的實現(xiàn)了PPy/ZnO NRs陣列，進(jìn)一步提高了ZnONRs陣列的光電響應(yīng)性能。經(jīng)過 SEM和 XRD分析表明：ZnO納米棒表面被粒徑在30-50nm的PPy顆粒均勻覆蓋，ZnO的形貌沒有變化仍為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，并沿C軸生長；通過FTIR顯示：PPy和ZnO NRs表面-OH的發(fā)生聚合反應(yīng)的機理

6、，得出PPy與ZnO有Zn-O-C聯(lián)結(jié)；UV-vis測試表明，PPy/ZnONRs電極吸收帶邊發(fā)生明顯紅移由400nm紅移至550nm，在可見光區(qū)也有吸收，禁帶寬度減小為2.75eV。說明該復(fù)合電極光吸收效率明顯增強。
　　三、將 ZnO NRs和 PPy/ZnO NRs復(fù)合電極應(yīng)用于光電裂解水，討論PPy/ZnONRs復(fù)合電極光電性能和機理研究。I-V測試顯示，隨著電位的增大響應(yīng)電流也逐漸增大,且隨著 PPy沉積量的增多，PPy

7、/ZnONRs的電流呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)聚合時間為15min時，在0.8V下所得復(fù)合電極的光電流響應(yīng)最大為1.0 mA/cm2；通過I-t表明：在光照時，PPy/ZnO NRs的瞬態(tài)光電流最大達(dá)到0.62mA/cm2；由EIS結(jié)果顯示：與ZnO NRs對比，隨著PPy沉積量的增加，PPy/ZnONRs的電阻呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。相對于ZnO NRs，PPy/ZnO NRs電極的光電轉(zhuǎn)化效率明顯提高，可達(dá)1.4％。從能帶的角度進(jìn)一