Cu2O基納米異質結的制備及光催化、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構，其應用更為廣泛。但是 ZnO應用在光催化和太陽能領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結構材料，以期克服其單體材料的缺點而獲得更好的光催化、光電化學和氣體敏感性能。通過低溫水熱合成法、化學浴沉積法、電化學沉積法和微波水熱法等合成手段的應用，制備出了形貌結構可調控的具有納米異質結構的半導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中對ZnO納米棒的生長在初期有促進作用。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構。
　　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異質結納米棒陣列薄膜。Cu2O以量子點（納米顆粒）形式附著在ZnO納米棒表面，通過改變電沉積時間可調控Cu2O量子點的數(shù)量，從而對整個材料的形貌產生影響。研究了不同電沉積時間的試樣對甲基橙（MO）的光催化降解性能。與純的Cu2O和ZnO相比較，基于Cu2O/ZnO異質結納米棒陣列對甲基橙的光催化性能有了很大的提高。電沉積時間為20 min時所得到的Cu2O

5、/ZnO異質結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構、較大的比表面以及異質界面形成的有效的電荷分離轉移機制。Cu2O/ZnO異質結納米棒陣列的光催化降解循環(huán)穩(wěn)定性隨著量子點沉積量的增大而減小。
　　采用化學浴沉積法，在ZnO納米棒陣列上沉積，制備了Cu2O/ZnO異質結納米棒陣列薄膜。研究了化學浴循環(huán)次數(shù)對產物形

6、貌的影響，分析了Cu2O/ZnO異質結納米棒陣列的形成機制，研究了材料的光電化學性能。結果顯示Cu2O以量子點的形式附著在ZnO納米棒表面，隨著化學浴循序次數(shù)的增加Cu2O量子點的尺寸和數(shù)量不斷增加。當化學浴循環(huán)次數(shù)為10次時，所得Cu2O/ZnO異質結納米棒表面Cu2O覆蓋均勻，以其作為光陽極裝配量子點敏化太陽電池也表現(xiàn)出最佳的光電轉換性能，其在標準太陽光（AM1.5）照射下光電轉換效率可達1.17％。進一步，為改善電池光電化學穩(wěn)定性

7、，采用熱處理的方式在Cu2O量子點表面生成了一層 CuO的保護層，其光電化學穩(wěn)定得到了提高，但是其光電轉換效率初始值有稍許下降，以化學浴循環(huán)次數(shù)10次的電極為例，其光電轉換效率由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物，在100℃下制備了多孔Cu/Cu2O納米異質結空心球材料。研究了水熱時間對產物物相形貌的影響，分析了空心球形成機制；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

8、機制進行了探討。隨著水熱時間的增長空心球中Cu含量逐漸增加，球體也由實心逐漸轉變?yōu)榭招?，水熱時間持續(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?？招那虻男纬芍饕獨w功于奧斯瓦爾德熟化機制。在水熱30 min時所得空心球對甲基橙在室溫可見光照射的條件下具有很好的光催化降解性能，其降解速率