基于三氧化鎢的異質(zhì)結(jié)制備及其光電化學(xué)水分解行為研究.pdf

1、當(dāng)今，能源危機和環(huán)境污染是制約我國經(jīng)濟社會發(fā)展的重要問題，新型清潔能源從而引起了人們廣泛的關(guān)注。而在清潔能源中，太陽能資源豐富、普遍、經(jīng)濟，且取之不竭、用之不盡；氫能則廣泛存在于自然界中，尤其在地球上最為豐富的水資源中。自1972年，K.Honda和A. Fujishima實驗發(fā)現(xiàn)利用半導(dǎo)體TiO2電極和鉑電極構(gòu)建的光電反應(yīng)電池，在外加偏壓和光照情況下，在鉑電極上能檢測到氫氣的產(chǎn)生，從而開啟了利用半導(dǎo)體材料進(jìn)行太陽能分解水制氫的大門，有

2、效地將太陽能和氫能結(jié)合起來。三氧化鎢是一種重要的半導(dǎo)體材料，因其對可見光響應(yīng)好、廉價、無毒、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，其被廣泛應(yīng)用于有機物降解和光解水。然而，其自身也存在光生電子與空穴復(fù)合嚴(yán)重和光生載流子遷移速率慢的缺點，較嚴(yán)重地限制了其應(yīng)用。本論文采用 BiVO4/Bi2S3和 In2S3對三氧化鎢薄膜電極進(jìn)行表面修飾，形成的復(fù)合異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)有效地提高了光電化學(xué)水分解性能，并進(jìn)一步分析探討了光生載流子在這些異質(zhì)結(jié)光電極中的轉(zhuǎn)移機理。本論文研究分為

3、二個部分：
　　1. BiVO4/Bi2S3修飾WO3光電極的制備及其光電化學(xué)水分解性能研究
　　首先水熱法制備垂直陣列的WO3納米片薄膜，繼而在WO3薄膜表面旋涂并高溫退火形成 BiVO4層，制得 WO3/BiVO4異質(zhì)結(jié)；其次，采用連續(xù)離子沉積法在WO3/BiVO4異質(zhì)結(jié)表面修飾 Bi2S3，并真空退火使其結(jié)晶；最終，制得WO3/BiVO4/Bi2S3異質(zhì)結(jié)光陽極。通過形貌與結(jié)構(gòu)表征，表明成功制備了BiVO4/Bi2S3

4、修飾的垂直陣列的WO3納米片薄膜復(fù)合結(jié)構(gòu)。對電極進(jìn)行紫外-可見光吸收研究表明BiVO4/Bi2S3修飾的復(fù)合結(jié)構(gòu)擴大了對可見光的吸收范圍，提高了太陽光利用率。通過光電化學(xué)性能表征發(fā)現(xiàn)，在1.23 V(vs.RHE)處。WO3/BiVO4/Bi2S3相對于未修飾WO3其光電流密度提高了3.92倍，可達(dá)到2.2 mA cm-2；在0.49 V(vs. RHE)處，最高光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)0.4％，相對于未修飾WO3的納米片結(jié)構(gòu)提高了10倍。WO

5、3/BiVO4/Bi2S3電極的起始電位更負(fù)，表明BiVO4/Bi2S3修飾的復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠有效改善電極的析氧動力學(xué)。對光陽極進(jìn)行量子效率測試和電化學(xué)阻抗譜分析其機理，發(fā)現(xiàn) WO3/BiVO4/Bi2S3復(fù)合結(jié)構(gòu)相對于未修飾的WO3光陽極在可見光區(qū)域具有較高的量子轉(zhuǎn)換效率，WO3/BiVO4/Bi2S3異質(zhì)結(jié)能夠有效促進(jìn)光生電子-空穴對的分離。
　　2. WO3/In2S3異質(zhì)結(jié)光電極的制備及其光電化學(xué)行為研究
　　首先水熱法

6、制備垂直陣列的WO3納米片薄膜，并高溫退火提高電極結(jié)晶性；然后，在WO3薄膜表面用連續(xù)離子沉積法沉積不同厚度的In2S3；最后，在250℃真空處理得到高性能WO3/In2S3異質(zhì)結(jié)光陽極。通過形貌與結(jié)構(gòu)表征發(fā)現(xiàn)成功制備了In2S3修飾的垂直陣列的WO3納米片薄膜復(fù)合結(jié)構(gòu)。對WO3和WO3/In2S3進(jìn)行紫外-可見光吸收研究表明In2S3修飾的異質(zhì)結(jié)擴大了對可見光的吸收范圍，提高了太陽光利用率。通過光電化學(xué)行為研究，在1.23 V(vs.

7、 RHE)處，發(fā)現(xiàn)WO3/In2S3相對于WO3其光電流密度提高了2.14倍，可達(dá)到1.2 mA cm-2；在0.49 V(vs. RHE)處，最高光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)0.29％，相對于未修飾的WO3提高了7.25倍。對光陽極進(jìn)行量子效率測試和電化學(xué)阻抗表征來揭示其內(nèi)在機理，WO3/In2S3異質(zhì)結(jié)能夠有效提高可見光光區(qū)的光吸收，以及促進(jìn)光生電子-空穴對的有效分離。
　　本論文的研究結(jié)果表明，通過將WO3與窄帶隙半導(dǎo)體復(fù)合形成異質(zhì)結(jié)，