偏压控制Cu_2O和Cu在TiO_2表面的生长及其光电化学性质研究

【摘要】二氧化钛（TiO2）具有良好的光敏、气敏、压敏、化学稳定性，高的折射率（锐钛矿为2.5，金红石为2.7）和介电常数，优越的太阳能转换和光催化等性能，是太阳能电池、光子晶体、光催化、气体传感器、电致变色和自清洁材料等领域被广泛研究的材料之一。但是TiO2材料的光生载流子的分离效率较低，同时对太阳光的可见光利用率较低，因而限制了其实际应用。本论文利用Cu2O和/或Cu颗粒以及Cu2O和/或Co-Pi颗粒修饰TiO2平整表面来提高TiO2样品的光电化学性质，同时研究了担载颗粒在TiO2表面的生长特性及其微观结构和形貌等的变化。（1）基于TiO2/Ti电极在含Cu2+溶液中的循环伏安图，调节电化学沉积时的沉积电压，我们在TiO2平整表面制备出Cu2O和/或Cu颗粒。通过扫描电镜、X-射线衍射和X-射线光电子能谱表征，发现Cu2O和Cu有不同的生长机制：Cu2O颗粒在TiO2表面分散结晶，而Cu颗粒是在已生长的颗粒上成核，从而形成堆积颗粒结构。这是由于在Cu2O/TiO2界面和Cu/TiO2界面形成不同的能带结构，使得电子的转移方式不同。与纯TiO2光阳极比较，可以观察到Cu2O/TiO2和Cu/TiO2异质结构的光电流均有显著增强。特别地，存在一个电压区间使得Cu2O和Cu同时生长在TiO2表面，此时对应的光电流比较稳定并且能达到最大。紫外-可见漫反射光谱、电化学阻抗谱和光电流-电压特性曲线均显示，Cu2O和Cu明显有助于光的可见光吸收，同时Cu/TiO2在光电转换过程中显示更宽波段的可见光利用率。此外，开路电压的增加、电极/电解质界面上载流子的快速迁移也增强了材料的光电化学性质。（2）用阳极氧化法在Ti基片上制备出TiO2薄膜，然后通过电化学沉积法将Co-Pi和Cu2O沉积在TiO2薄膜表面。通过扫描电镜、X-射线衍射和光电化学性质测试，发现TiO2薄膜表面先沉积Co-Pi能够有效阻止Cu2O颗粒堆积，光电流显著提高。而先沉积Cu2O，后沉积Co-Pi，则会使Cu2O还原为Cu，同时形貌发生改变。特别地，沉积300秒Co-Pi后再沉积Cu2O颗粒，在0偏压（相对于Ag/AgCl）和100mW/cm2照射下能得到200A·cm-2的最大光电流。
【作者】姜春香；
【导师】沈明荣；
【作者基本信息】苏州大学，凝聚态物理，2014，硕士
【关键词】Cu2O；Cu；Co-Pi；电化学沉积；光电化学性质；TiO2薄膜；

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