復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜電極的制備及其光電催化性能研究.pdf

1、面對日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題和能源危機(jī)，清潔能源的開發(fā)和利用吸引了當(dāng)今社會越來越多的關(guān)注。利用太陽能和半導(dǎo)體光催化劑進(jìn)行光解水制備氫氣的技術(shù)，作為一種環(huán)境友好的方法成為近年來的研究熱點。但是，到目前為止各個研究的產(chǎn)氫效率還達(dá)不到可以商業(yè)化應(yīng)用的水平。所以，開發(fā)出一種高效的光解水半導(dǎo)體催化劑就成為主要的研究方向。本文的主要研究內(nèi)容就是復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜光電極的制備及其光電催化性能的研究。
　　赤鐵礦(α-Fe2O3)具有儲量豐富、價格低廉、化學(xué)

2、穩(wěn)定性高以及合適的帶隙寬度(2.1 eV)等優(yōu)點，是非常適合用來進(jìn)行光解水產(chǎn)氫的半導(dǎo)體材料。但是單純的α-Fe2O3自身的導(dǎo)電性很差，大大的限制了其光電化學(xué)過程。所以，我們開發(fā)了一種新穎的采用金屬鈦片為基底，通過常壓化學(xué)氣相沉積法熱解二茂鐵制備 Ti摻雜α-Fe2O3光陽極的方法。通過這種方法制備出來的Ti摻雜α-Fe2O3光陽極顯示了優(yōu)越的光電化學(xué)性能。在9 mW/cm2和100 mW/cm2光照下、電壓為0.6 V(vs. Hg/H

3、g2Cl2)時的光電流密度分別達(dá)到了80μA/cm2和0.9 mA/cm2。在360 nm和400 nm處的光電轉(zhuǎn)化效率值分別為15.4%和7.2%。在450℃制備的Ti摻雜α-Fe2O3光陽極的α-Fe2O3薄膜厚度僅為50 nm，這是首次得到的鈦摻雜的超薄結(jié)構(gòu)α-Fe2O3光陽極，其光電性能也達(dá)到同類超薄薄膜的世界領(lǐng)先水平。通過 XPS測試，驗證了 Ti原子確實摻雜進(jìn)了α-Fe2O3薄膜內(nèi)，并且得到Ti摻雜α-Fe2O3光陽極的Ti

4、摻雜濃度為8.4%。
　　光陰極是光電催化的另一極，光陰極材料的性能提高是總體光電催化性能提高的不可或缺的因素。硅(Si)作為地球儲量第二豐富的元素，具有較小的能帶寬度(Eg=1.1 eV)，是一種廣泛應(yīng)用的光伏材料，p-Si是一種極為高效的太陽能產(chǎn)氫光電極材料。但是平面硅片對太陽光的反射率很高。同時在集中的光照下，光電化學(xué)反應(yīng)過程中還存在光腐蝕的問題，而且表面的大量氣泡的產(chǎn)生也可能導(dǎo)致表面金屬催化劑的脫落。所以設(shè)計新的表面結(jié)構(gòu)，

5、提高光電催化材料的穩(wěn)定性和性能是光陰極材料研發(fā)的重要課題。本文中，我們通過金屬輔助化學(xué)腐蝕法，在平面Si表面引入納米線狀的表面結(jié)構(gòu)，隨后采用一種簡單的濕法沉積的方法將 Pt顆粒修飾到 Si納米線電極上，最后使用ALD方法在其表面沉積一層TiO2鈍化層，起到同時保護(hù)半導(dǎo)體材料和Pt催化劑的作用。Pt顆粒和電解液被15 nm的TiO2層隔開，這種結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的化學(xué)穩(wěn)定性和更正的起始電位。最后得到的TiO2/Pt/SiNW光電極表現(xiàn)出比平面

6、 Si，Pt/planar Si,和 TiO2/Pt/planar Si光電極更優(yōu)越的光電化學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性。TiO2/Pt/SiNW最大的光電流密度為?27 mA/cm2，起始電位相對于平面Si電極正向了0.65V，TiO2/Pt/SiNW樣品的起始電位是0.35 VRHE，最大光電轉(zhuǎn)化效率是15.6%。我們首次發(fā)現(xiàn)，這種埋覆在TiO2層下面不直接與電解液接觸的Pt納米顆粒，仍然起到很好的表面催化作用，而且該結(jié)構(gòu)的光電催化性能達(dá)到同

7、類樣品的世界先進(jìn)水平。
　　Pt顆粒是最經(jīng)常使用的優(yōu)秀的光電催化劑，但是由于其成本因素，我們?nèi)匀幌Ｍ_發(fā)過渡金屬或其氧化物來取代Pt作為光陰極的催化劑。結(jié)合之前的兩個工作，我們通過常壓化學(xué)氣相沉積法(APCVD)在 p型 Si片表面熱解二茂鐵，制備出α-Fe2O3/Si光電極。制備出的α-Fe2O3/Si光電極表現(xiàn)出了比平面Si和Pt/planar Si光電極都要高的光電流密度。在100 mW/cm2強(qiáng)度的光照下，電壓為?1.5