碳和氮摻雜TiO2薄膜的制備及其光電化學(xué)性能研究.pdf

1、TiO2具有價格便宜、無毒、原料易得、抗光腐蝕性、化學(xué)穩(wěn)定性高等優(yōu)點,是目前研究最為廣泛的半導(dǎo)體光催化劑之一。TiO2可應(yīng)用于光催化分解水制氫、降解污染物或太陽能電池等多個方而。但TiO2禁帶寬度較寬,僅吸收紫外光,對太陽能的利用率很低,限制了其在太陽能利用領(lǐng)域的實際應(yīng)用,因而對TiO2進行各種修飾摻雜以提高其在可見光下光電轉(zhuǎn)換效率的研究是當(dāng)前的熱點課題。本論文采用反應(yīng)磁控濺射、陽極氧化和電泳沉積等多種方法制備了碳或氮摻雜的TiO2薄膜

2、,考察了薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、表面形貌、電子結(jié)構(gòu)、光吸收性能以及光電化學(xué)性能。通過引入碳或氮元素,減小了TiO2薄膜的禁帶寬度,提高了TiO2薄膜的可見光光電性能。論文的主要研究成果如下:
　　1.利用直流反應(yīng)磁控濺射法制得TiNX薄膜,然后通過熱氧化TiNX薄膜成功制備了氮摻雜的TiO2薄膜,通過調(diào)節(jié)濺射時的氮氬體積比控制薄膜中的N含量。研究表明:所得TiO2薄膜均為銳鈦礦相,并具有粗糙的表面形貌。光吸收譜顯示氮摻雜TiO2薄膜對光的

3、吸收有紅移,禁帶寬度從純TiO2的3.36 eV減小到了3.12 eV。所制得的氮摻雜TiO2薄膜電極在可見光下均顯示了光電響應(yīng),這與光吸收譜的結(jié)果吻合。在氮氬體積比(N2/(N2+Ar),)為33％時濺射所得的樣品具有最高可見光光電流密度,相比純TiO2薄膜,0 V時氮摻雜的TiO2薄膜可見光下光電流密度山0.29μA/cm2上升到了最高10.71μA/cm2,提高了37倍。
　　2.利用直流磁控濺射法制得TiCX薄膜,然后通過

4、陽極氧化TiCX薄膜的方法制備了具有可見光活性的碳摻雜多孔狀的TiO2薄膜,對薄膜進行了SEM、EDS、XRD、漫反射光譜、光電流測試,分別研究了TiO2薄膜的表而形貌、結(jié)晶情況和禁帶寬度及其相應(yīng)的光電性能。結(jié)果表明,該方法制得的薄膜為銳鈦礦相多孔狀薄膜,碳的引入使得薄膜的光吸收邊由原來的380 nm向可見光方向紅移至554 nm。相比純TiO2薄膜,0 V時碳摻雜的TiO2薄膜在可見光下光電流密度山0.53μA·cm-2提高到了1.5

5、8μA·cm-2,可見光下光電響應(yīng)提高了3倍。
　　3.首先利用電泳沉積的方法制備了TiC薄膜,然后通過空氣中直接熱氧化所得TiC薄膜的方法制備了具有可見光光電活性的碳摻雜TiO2薄膜。XRD測試證實了該方法下Ti片表面TiC薄膜的形成,EDS以及XPS測試表明較高溫度下熱氧化得到的樣品中C的含量較小,且C原子是以Ti-C鍵的形式摻雜進TiO2晶格中。研究了沉積電壓以及熱氧化溫度對TiO2薄膜可見光下光電性能的影響,結(jié)果表明,沉積