半导体氧化物光阳极的表面/界面修饰及水分解性能研究

【摘要】光电化学分解水是解决能源问题的一条重要途径。半导体光阳极的水氧化反应是制约水分解效率的关键步骤,如何提高半导体光阳极的分解水性能是这一领域研究的热点与核心问题。本文以半导体氧化物光阳极为研究对象,从微纳结构的可控制备,掺杂与表面修饰提高光阳极的光吸收、光生电子空穴分离等方面开展研究工作,探索提高半导体氧化物光阳极光电化学性能的有效途径。具体研究工作如下：采用TiO2纳米线阵列作为光阳极,通过氢处理提高了纳米线的导电能力；利用TiCl4处理构建异质结,实现了电子空穴的有效分离；光电化学研究表明氢处理与TiCl4处理结合能有效提高光电化学分解水性能,处理后的光阳极在0.23V(vs.Ag/AgCl)的电位下,光电流提高了63%。提出能带模型解释了光电化学性能提高的原因,证明了氢处理与TiCl4处理结合的协同效应。针对Ti02纳米线阵列光阳极缺乏可见光吸收的问题,通过Au纳米粒子的表面等离子体效应和S阴离子表面掺杂效应,提高Ti02纳米线阵列的可见光响应。研究表明,Au表面等离子体能够提高Ti02纳米线阵列光阳极的可见光分解水性能,但响应较弱。利用快速退火的方法制备了S掺杂的Ti02纳米线阵列,光电化学研究发现S表面掺杂显著提高了光阳极对可见光的响应,在0.23V(vs.Ag/AgCl)电位下,阳极光电流提高了8.5倍。这一结果表明S掺杂是增强TiO2光阳极可见光响应的有效方式。针对α-Fe2O3空穴氧化能力弱,迁移率低而引起的复合严重的问题,通过层层沉积的方法在FTO与Fe203之间构建结晶性良好的超薄Ti02阻挡层。研究表明阻挡层显著提高了Fe203薄膜光阳极的光电化学性能。光电流对阻挡层的厚度存在依赖关系,厚度为1.4nm的阻挡层对Fe203光阳极光电流的增强作用最大,0.23V(vs.Ag/AgCl)电位下,电流提高了约40倍,且光电流的开启值向负电位方向移动0.6V。通过瞬态电流的测试证明了阻挡层对电子反向流动复合的抑制作用,从而提高了平面结构α-Fe2O3薄膜光阳极的可见光分解水性能。为了进一步解决空穴扩散长度小而引起的复合问题,通过水热法制备了α-Fe2O3纳米线阵列光阳极,研究了Ti02界面阻挡层对α-Fe2O3纳米线阵列光阳极分解水性能的影响。结果表明界面阻挡层有效地提高了α-Fe2O3纳米线阵列光阳极分解水的性能。在加入H202空穴捕获剂的情况下,观察到了比平面结构α-Fe2O3更强的光电流,说明Fe203纳米线阵列在可见光分解水方面具有很大的潜力和研究价值。
【作者】王丹；
【导师】张昕彤；
【作者基本信息】东北师范大学，材料物理与化学，2014，博士
【关键词】光电化学水分解；TiO2纳米线阵列；Fe2O3薄膜；TiO2阻挡层；

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