Au修飾氧化物的合成及光電化學(xué)分解水性能研究.pdf

1、光電化學(xué)光解水制氫是一種利用太陽能和可再生的水資源制得清潔能源的最具吸引力的研究之一。光電化學(xué)電池(PEC)是一種利用感光性半導(dǎo)體和電解液將太陽能直接轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來的光電化學(xué)器件，它具有制備工藝簡(jiǎn)單、環(huán)境友好、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。光電極材料的組成和構(gòu)造影響對(duì)入射光的吸收和應(yīng)用效率，影響電子的傳輸和收集效率，光電極的性能在一定程度上決定了整個(gè)電池的光電化學(xué)性能，所以提高光電極的光電化學(xué)性質(zhì)是提高PEC光轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素。貴金屬的表面等

2、離子體共振(S PR)效應(yīng)，可以擴(kuò)大對(duì)入射光響應(yīng)范圍、增強(qiáng)對(duì)入射光的吸收、增大光生電子在光電極中傳輸速率、延長(zhǎng)電子壽命、抑制光生電子-空穴的復(fù)合。
　　本文通過水熱法和化學(xué)浴法合成WO3和ZnO薄膜作為光陽極材料，用Au納米顆粒對(duì)其修飾，利用Au納米顆粒的SPR效應(yīng)，提高對(duì)可見光的吸收并且抑制光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合，提高光電化學(xué)析氫能力。本文主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)通過水熱法合成大小約100 nm的WO3納米顆粒，刮涂

3、法涂到FTO導(dǎo)電基板上，并以此作為光陽極。將NaBH4還原HAuCl4制備的Au納米顆粒溶膠用滴涂法修飾到WO3光陽極表面，以滴加次數(shù)控制WO3表面Au的原子分?jǐn)?shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)Au的含量達(dá)到0.32 at％時(shí)，WO3-10Au光陽極在參比電壓1.0 Vvs Ag/AgCl時(shí)，光電流密度達(dá)到0.44 mA·cm-2是裸露的WO3光陽極(0.12 mA·cm-2)的3.7倍。Au修飾光陽極由于Au納米顆粒的表面等離子體共振效應(yīng)，提高對(duì)可

4、見光的吸收，增大載流子密度，提高電子傳輸速率，這些因素都利于提高光電化學(xué)性質(zhì)。
　　(2)利用一步水熱法在FTO導(dǎo)電玻璃上生長(zhǎng)WO3納米棒陣列，并研究醇和水的體積比對(duì)WO3薄膜形貌的影響，實(shí)驗(yàn)表明水利于生成棒狀的WO3，乙醇利于WO3直接生長(zhǎng)在FTO導(dǎo)電玻璃表面上，醇水體積比為5∶5、煅燒溫度為500℃時(shí)得到的WO3納米棒陣列光電性能最好。利用光還原的方法在WO3納米棒表面修飾不同量的Au納米顆粒，以Au/WO3-2的光電流密度最

5、大（1.24 mA·cm-2在1.0Vvs Ag/AgCl），比WO3光電極的光電流密度（0.726 mA·cm-2在1.0 V vs Ag/AgCl）高出71％。這主要是由于Au的SPR共振效應(yīng)有利于擴(kuò)大光的吸收范圍，增強(qiáng)對(duì)光的吸收強(qiáng)度，提高電子傳輸效率，促進(jìn)光生電荷的分離，提高光電轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)由于Au的SPR效應(yīng)降低費(fèi)米能級(jí)，更加有利于氧化反應(yīng)進(jìn)行，Au修飾的光陽極在參比電極Ag/AgCl下電壓為0V時(shí)既有光電響應(yīng)，而WO3在+0

6、.4Vvs Ag/AgCl時(shí)才有了光電響應(yīng)，利用Mott-Schottky計(jì)算出的平帶電位證明了這一結(jié)論。
　　(3)利用化學(xué)浴法在ITO玻璃表面生長(zhǎng)ZnO納米棒陣列(ZNR)，滴涂-熱分解的方法制備Au負(fù)載ZnO光陽極(ZNRA)，研究Au負(fù)載量對(duì)光陽極光電化學(xué)分解水的性能及穩(wěn)定性的影響。測(cè)試結(jié)果表明:Au負(fù)載量從0at％增加到2.6 at％，ZNRA25光陽極的光電流密度達(dá)到0.24 mA·cm-2(1.0V vs Ag/Ag