氢气处理的纳米氧化铁光解水研究

【摘要】近年来α-氧化铁纳米材料以其资源丰富、价格低廉、光催化稳定性好和带隙合适（2.2eV）等特点成为最具潜力的光解水材料之一。但是，α-氧化铁纳米材料同样也存在许多的缺点，如导电性差，空穴扩散长度短（约2-4nm），具有较高的过电势等，这些都使得它的光解水效率远远地小于其理论值，限制了它应用于大规模的商业中。因此，对α-氧化铁纳米材料进行修饰和优化，从而使其具有更高的光催化效率，在解决能源危机方面具有十分重要的研究意义。本论文利用了水热合成的制备方法合成了α-氧化铁纳米材料，并对其进行了氧空穴掺杂，形貌控制及表面碳包覆等处理，提高了其光电催化效率，为使其以后可能的商业应用打下了坚实的基础。在论文第二章中，我们利用水热法合成了α-氧化铁纳米材料，并用热分解硼氢化钠的方法对其进行了氢气的热处理。将得到的产品进行光解水的电流性能测试，结果显示，氢气的热处理可以有效地提高α-氧化铁纳米材料的光解水性能。在外加偏压为1.23Vvs.RHE时，最佳的氢气热处理样品的光电流密度达到了2.28mA/cm2，是未经过热处理样品在该电压处光电流密度的2.5倍多。氢气处理主要是使氧化铁表面产生氧空穴从而提高效率。更重要的是，这种氢气处理的办法获得的氧化铁起始电压相对常规的在缺氧环境下加热产生氧空穴的办法减小了120mA。通过XAS和XPS的表征发现，氢气热处理过程改变了α-氧化铁纳米材料的电子结构，证明氢气热处理的过程只对样品表面进行了氧空穴的掺杂并没有对其体内进行掺杂；通过Mott-Schottky曲线的测试发现载流子浓度增加了。实验证实氢气热处理的方法对样品进行了表面氧空穴的掺杂，从而提高了α-氧化铁纳米材料的导电性，最终使其光解水的性能得以提高；而常规缺氧条件下加热产生氧空穴的办法则是内部和表面都有大量氧空穴，氢气处理的表面氧空穴能使起始电压得到明显降低。这种氢气热处理光电极的制备以方法简单、生产成本低等特点，有利于未来α-氧化铁纳米材料的大规模应用于商业。不同形貌的α-氧化铁纳米材料的光解水性能也会有很大不同。在第三章中的第一部分，我们通过非常简单的在水热合成过程中加入氟化铵水溶液成功的合成了α-氧化铁纳米棒。在光电化学性能测试中，α-氧化铁纳米棒具有更好的光电催化性能，在1.23V电压处其光生电流密度值为1.68mA/cm2是未加氟化铵（NH4F）样品的二倍多。通过SEM表征可以看见纳米棒具有更大的表面积，更有利于光的吸收。同时我们也发现α-氧化铁纳米棒的样品的起始电压增加了，这可能是归因于形貌的改变使得氧化铁纳米棒引入了更多的缺陷。此外，在第三章后半部分我们介绍了一种简单的方法来合成具有碳包覆层的α-氧化铁纳米材料。我们通过把水热合成的α-氧化铁纳米材料放在乙醇溶液中超声成功的得到了具有碳包覆层的α-氧化铁纳米材料。通过SEM,TEM等形貌表征手段我们可以发现在α-氧化铁纳米材料表面有一层2-3nm的碳包覆层，光电催化性能测试发现在1.23V电压处其光生电流密度值为2.32mA/cm2，是未包覆样品的2.7倍多。具体的机理还有待于进一步研究。
【作者】李明；
【导师】钟俊；
【作者基本信息】苏州大学，凝聚态物理，2014，硕士
【关键词】α-氧化铁；光解水；氧空穴掺杂；碳包覆层；

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