原位構(gòu)筑TiO2-Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)及其光陽極性能研究.pdf

1、為解決全球能源危機(jī)及環(huán)境惡化的問題，人們一直研究如何有效地將太陽能轉(zhuǎn)化為清潔的、方便儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)目稍偕瘜W(xué)能。通過光電化學(xué)反應(yīng)，將溫室氣體CO2還原成碳?xì)浠衔锛肮饨馑茪?，均可緩解日益?yán)峻的能源形勢(shì)，同時(shí)也有可能從根本上解決能源危機(jī)、消除能源利用造成的環(huán)境污染。還原CO2及光解水產(chǎn)氫所需的電子來源于光陽極反應(yīng)：H2O氧化制O2。與陰極材料相比，陽極材料除了低成本、高性能、穩(wěn)定之外，還要具備高的氧化活性，因此，陽極材料比陰極材料更難制備

2、。半導(dǎo)體Si是極富潛力的光解水電極材料，近年來由于在保護(hù)層的研究方面取得突破，使其再次受到廣泛關(guān)注。但界面缺陷導(dǎo)致的載流子復(fù)合及絕緣層SiO2存在導(dǎo)致的量子隧穿問題，嚴(yán)重影響Si電極效率。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴通過半導(dǎo)體單晶硅和二氧化鈦的晶格與晶型匹配，利用層狀自組裝及水熱合成的方式，在單晶硅的表面生長(zhǎng)銳鈦礦TiO2。經(jīng)過對(duì)樣品掃描電鏡（SEM）、高分辨透射（HRTEM）和X射線能譜（EDS）的分析發(fā)現(xiàn)銳鈦礦TiO2很好的沿

3、著單晶硅的（001）表面定向生長(zhǎng)。通過對(duì)表面進(jìn)行X射線光電子能譜分析（XPS），在經(jīng)過處理過的硅片表面有Si-Ti鍵的形成，說明TiO2取代了Si表面的SiO2。經(jīng)過對(duì)稱性分析，發(fā)現(xiàn)在硅（001）晶面生長(zhǎng)的為銳鈦礦TiO2的（004）晶面。另外，研究了晶格與晶型不匹配的Rutile-TiO2在單晶硅表面進(jìn)行異質(zhì)界面生長(zhǎng)，探究了硅基底四氯化鈦處理次數(shù)，水熱時(shí)間，鈦酸四丁酯用量等條件下對(duì)生長(zhǎng)情況的。結(jié)果顯示金紅石TiO2無法在單晶硅表面進(jìn)行

4、異質(zhì)界面生長(zhǎng)，并且易于剝離。同時(shí)我們研究了二氧化鈦在不同基底表面的轉(zhuǎn)晶溫度，探索了二氧化鈦薄膜和不同基底間應(yīng)力對(duì)二氧化鈦相轉(zhuǎn)變的影響作用，研究表明二氧化鈦與基底表面的應(yīng)力作用越大，轉(zhuǎn)晶需要的能量越大，轉(zhuǎn)晶的溫度越高。⑵采用自組裝以及水熱生長(zhǎng)的方式制備了TiO2/Si光陽極材料，并且通過熱蒸鍍的方式在TiO2表面蒸鍍一層催化劑鎳。并且采用X射線衍射（XRD）、XPS、原子力顯微鏡（AFM）、SEM對(duì)其表面晶體及形貌進(jìn)行表征，采用光電化學(xué)測(cè)

5、試手段對(duì)電極進(jìn)行電化學(xué)性能表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明我們?cè)诒砻娉练e的鎳主要以單質(zhì)形態(tài)存在，同時(shí)還有少量的二價(jià)、三價(jià)鎳。在一個(gè)太陽光的照射下，Ni/TiO2/Si光陽極表現(xiàn)出了較好的載流子傳輸能力和較高的載流子注入和分離效率。Ni/TiO2/Si光陽極光電流密度在催化劑 Ni厚度為1nm時(shí)取得最大值31 mA/cm2，是Ni/TiO2/SiO2/Si光陽極的11倍。穩(wěn)定性的測(cè)試表明，該光陽極可以在1MKOH的溶液中穩(wěn)定工作24 h，說明該光陽極的