多酸—金属纳米粒子协同促进二氧化钛光电性能的研究

【摘要】21世纪，能源和环境问题是人类所面临的两大课题，通过利用太阳能来解决全球性的能源问题越来越引起人们的关注和重视。其中，如何提高半导体材料的光电转换效率成为广受关注的一个研究领域。多金属氧酸盐（多酸）是一类具有独特结构的电子接受体，它可以捕获半导体材料中的光生电子，从而减少半导体中载流子的复合，使光电转换效率得以提高。同时，金属纳米粒子以其卓越的光学及导电性能，已经被广泛应用于光电及催化领域的研究。本论文以多酸和金属纳米粒子作为促进剂，制备了半导体/多酸/金属三元复合膜电极，并考察了促进剂对半导体材料光电转换性能的协同增效作用。具体如下：1.采用交替沉积自组装技术，制备了TiO2、Dawson型钨磷酸和金纳米粒子三元复合膜电极材料。光电化学测试表明，由于多酸对光生电子-空穴复合的抑制作用，P2W18/TiO2膜的光电流响应和能量转换效率明显高于PSS/TiO2膜；而由于金纳米粒子与多酸的协同促进作用，使TiO2/P2W18/Au膜呈现出较其它膜最高的光电流响应和能量转换效率。另外，TiO2/P2W18/Au膜还呈现出优异的对甲醇的光电催化活性。2.利用原位合成的方法，一步制备出多酸-银纳米粒子复合材料，并组装成Ag-P2W18/TiO2复合膜电极，结果展示了其比TiO2电极和P2W18/TiO2电极更高的光电流和能量转化效率。这一结果主要归因于多酸对半导体电子－空穴复合的抑制作用和银纳米粒子对提高电子转移速度的促进作用。另外，Ag-P2W18/TiO2复合膜电极同样展示了比其它膜更好的多巴胺光电催化性能，这也表明复合膜具备良好的生物传感性。3.室温下合成稳定存在的铜量子点，制备了TiO2/P2W18/Cu三元复合膜电极。经光电化学测试表明，其光电流大小和能量转换效率同样较TiO2电极和P2W18/TiO2电极更高。这说明多酸和铜纳米粒子的引入对TiO2光电性能的提高不仅具有与贵金属相近的促进作用，还在很大程度上降低了制备成本。同时，TiO2/P2W18/Cu复合膜电极还展示出比其它膜更好的对甲酸的光电催化性能。本论文的研究结果表明，Dawson型多酸可以提高二氧化钛的光电转换性能，并且多酸与不同金属纳米粒子的复合对二氧化钛光电性能的提高具有协同促进的作用，这对于其在光催化、太阳能电池以及光解水等领域的应用研究具有重要的参考价值。
【作者】王立皓；
【导师】许林；
【作者基本信息】东北师范大学，无机化学，2014，博士
【关键词】半导体；多金属氧酸盐；金属纳米粒子；纳米复合膜；光电性能；

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