Cu2O基納米異質(zhì)結(jié)的制備及光催化、光電和氣敏性能.pdf

1、氧化亞銅（Cu2O）是一種直接帶隙 p型半導(dǎo)體，因其具有較窄的禁帶寬度（～2.1 eV）而在光催化降解、太陽能電池、氣敏傳感器等方面有著很好的應(yīng)用前景，但其在使用過程中還存在有穩(wěn)定性差等問題。氧化鋅（ZnO）是一種直接帶隙n型半導(dǎo)體，其禁帶寬度為～3.3 eV，具有很高的電子遷移率（>100cm2/V.s）且可以制備出形貌多樣的納米結(jié)構(gòu)，其應(yīng)用更為廣泛。但是 ZnO應(yīng)用在光催化和太陽能領(lǐng)域存在對太陽光的吸收效率低的問題。以Cu2O材料為

2、基，研究其制備方法，并將其與ZnO材料或是金屬（Cu）材料與之形成納米尺度的異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，以期克服其單體材料的缺點(diǎn)而獲得更好的光催化、光電化學(xué)和氣體敏感性能。通過低溫水熱合成法、化學(xué)浴沉積法、電化學(xué)沉積法和微波水熱法等合成手段的應(yīng)用，制備出了形貌結(jié)構(gòu)可調(diào)控的具有納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體薄膜材料和空心球粉體材料，并系統(tǒng)分析了其性能，其結(jié)果分列如下：
　　采用一種簡便的低溫水熱法，在無模板的條件下，以ITO玻璃為基底制備了ZnO納米棒陣列

3、薄膜。研究了水熱時(shí)間以及基底對ZnO納米棒形貌的影響，分析了ZnO納米棒陣列的生長機(jī)制。在無籽晶層的ITO玻璃上生長的ZnO納米棒直徑較大，大約為500 nm，其排列不規(guī)整。在有籽晶層的ITO玻璃上生長的ZnO納米棒直徑較小，大約為100 nm，其排列規(guī)整。生長過程中鋅片參與到反應(yīng)中對ZnO納米棒的生長在初期有促進(jìn)作用。在不同基底上生長的納米棒均呈現(xiàn)六棱柱狀，且具有良好的單晶結(jié)構(gòu)。
　　以Cu(NO3)2·3H2O的DMSO溶液為

4、電解液，以ZnO納米棒陣列薄膜為工作電極，采用恒電位沉積法制備出 Cu2O/ZnO異質(zhì)結(jié)納米棒陣列薄膜。Cu2O以量子點(diǎn)（納米顆粒）形式附著在ZnO納米棒表面，通過改變電沉積時(shí)間可調(diào)控Cu2O量子點(diǎn)的數(shù)量，從而對整個(gè)材料的形貌產(chǎn)生影響。研究了不同電沉積時(shí)間的試樣對甲基橙（MO）的光催化降解性能。與純的Cu2O和ZnO相比較，基于Cu2O/ZnO異質(zhì)結(jié)納米棒陣列對甲基橙的光催化性能有了很大的提高。電沉積時(shí)間為20 min時(shí)所得到的Cu2O

5、/ZnO異質(zhì)結(jié)納米棒陣列對甲基橙的光催化效率最高，其在室溫可見光照射下對甲基橙的光催化降解速率可達(dá)1.96 mg h-1 cm2。其優(yōu)異的光催化性能，源于其較好的光吸收結(jié)構(gòu)、較大的比表面以及異質(zhì)界面形成的有效的電荷分離轉(zhuǎn)移機(jī)制。Cu2O/ZnO異質(zhì)結(jié)納米棒陣列的光催化降解循環(huán)穩(wěn)定性隨著量子點(diǎn)沉積量的增大而減小。
　　采用化學(xué)浴沉積法，在ZnO納米棒陣列上沉積，制備了Cu2O/ZnO異質(zhì)結(jié)納米棒陣列薄膜。研究了化學(xué)浴循環(huán)次數(shù)對產(chǎn)物形

6、貌的影響，分析了Cu2O/ZnO異質(zhì)結(jié)納米棒陣列的形成機(jī)制，研究了材料的光電化學(xué)性能。結(jié)果顯示Cu2O以量子點(diǎn)的形式附著在ZnO納米棒表面，隨著化學(xué)浴循序次數(shù)的增加Cu2O量子點(diǎn)的尺寸和數(shù)量不斷增加。當(dāng)化學(xué)浴循環(huán)次數(shù)為10次時(shí)，所得Cu2O/ZnO異質(zhì)結(jié)納米棒表面Cu2O覆蓋均勻，以其作為光陽極裝配量子點(diǎn)敏化太陽電池也表現(xiàn)出最佳的光電轉(zhuǎn)換性能，其在標(biāo)準(zhǔn)太陽光（AM1.5）照射下光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)1.17％。進(jìn)一步，為改善電池光電化學(xué)穩(wěn)定性

7、，采用熱處理的方式在Cu2O量子點(diǎn)表面生成了一層 CuO的保護(hù)層，其光電化學(xué)穩(wěn)定得到了提高，但是其光電轉(zhuǎn)換效率初始值有稍許下降，以化學(xué)浴循環(huán)次數(shù)10次的電極為例，其光電轉(zhuǎn)換效率由1.17%下降到1.10%。
　　采用微波水熱法，以醋酸銅和抗壞血酸作為反應(yīng)物，在100℃下制備了多孔Cu/Cu2O納米異質(zhì)結(jié)空心球材料。研究了水熱時(shí)間對產(chǎn)物物相形貌的影響，分析了空心球形成機(jī)制；研究了材料的光催化和氣敏性能，對其光催化性能和氣敏性能的增強(qiáng)

8、機(jī)制進(jìn)行了探討。隨著水熱時(shí)間的增長空心球中Cu含量逐漸增加，球體也由實(shí)心逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榭招?，水熱時(shí)間持續(xù)增長，空心球的壁厚不斷變薄，直到最后空心球發(fā)生破裂形成納米顆粒。形成的多孔 Cu/Cu2O空心球其殼層由尺寸在10~50 nm之間的納米顆粒組成，空心球的尺寸為亞微米級別，在100~500 nm之間?？招那虻男纬芍饕?dú)w功于奧斯瓦爾德熟化機(jī)制。在水熱30 min時(shí)所得空心球?qū)谆仍谑覝乜梢姽庹丈涞臈l件下具有很好的光催化降解性能，其降解速率