反蛋白石結(jié)構(gòu)BiVO4光電極的制備及其光電化學性能增強研究.pdf

1、半導體光電化學技術(shù)是一種能將低密度的太陽能轉(zhuǎn)換成高密度的電能和氫能的技術(shù)，自從上世紀70年代起就一直受到研究人員的廣泛關注。在眾多的半導體光電極材料中，TiO2由于價格低廉，環(huán)境友好，性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點被普遍認為是最有發(fā)展前景的光電極材料，但是其光學帶隙比較大，只能吸收太陽光中的紫外光部分。因此開發(fā)具有可見光響應的新型半導體光電極是目前該領域最重要的研究課題之一。
　　BiVO4的光學帶隙較?。▇2.4 eV），能夠吸收太陽光譜中的可

2、見光部分。同時BiVO4具有無毒、化學性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點，已被證實是一種極具應用價值的可見光催化劑。然而BiVO4本身也存在著一些的缺點，例如光生載流子擴散長度較小，電荷傳輸性能較差等，這些缺點都限制了其在實際中的應用。為了提升BiVO4的光電化學性能，研究人員已采用一系列的方法來克服上述缺點，常用的方法包括化學摻雜、與其它半導體復合以及貴金屬納米顆粒修飾等。除此以外，通過制備具有特殊微納結(jié)構(gòu)的BiVO4材料也可以提升其光電化學性能。其中反

3、蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體是一種具有三維有序大孔結(jié)構(gòu)的材料，光在材料內(nèi)部可以形成多重散射效應，能夠增加材料與光的接觸時間，進而提高材料對光的吸收能力。更為重要的是光子晶體特有的慢光效應能有效地降低光在光子帶隙邊緣的傳播速度，從而進一步延長光與材料的相互作用時間。
　　因此在本論文中，我們嘗試將 BiVO4制備成反蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體，希望能夠提高 BiVO4對太陽光尤其是可見光的吸收能力。在此基礎上，再將 BiVO4光子晶體與不同材料的納

4、米顆粒相復合來提升光生載流子的分離能力，最終達到改善BiVO4光電化學性能的目的。本論文的研究內(nèi)容主要包含以下兩部分：
　?。?）碳量子點/BiVO4光子晶體的制備及其光電化學性能研究
　　在這部分工作中，我們首先采用垂直沉積法在FTO導電玻璃上自組裝生長了直徑為260 nm的聚苯乙烯微球膠體晶體模板，接著利用提拉浸漬法制得反蛋白石結(jié)構(gòu)的BiVO4光子晶體，最后通過恒定電壓沉積法在光子晶體骨架上附著碳量子點（CQDs），從而

5、制得反蛋白石結(jié)構(gòu)的CQDs/BiVO4復合光電極。在此基礎上系統(tǒng)研究了樣品的晶體結(jié)構(gòu)、表面形貌、紫外-可見吸收光譜、紅外光譜等性質(zhì)，并對樣品的光電化學性能進行了研究，包括光電流密度以及光分解水的測試工作。我們的研究結(jié)果表明，通過構(gòu)建反蛋白石結(jié)構(gòu)CQDs/BiVO4復合光電極，利用光子晶體的慢光效應以及CQDs的可見光吸收能力可以有效地提高復合體系的可見光吸收能力，同時由于CQDs與BiVO4之間能夠更容易實現(xiàn)光生載流子分離和傳輸，復合體

6、系的光電流密度以及光分解水產(chǎn)氫效率都得到了大幅度的提高。這部分工作已發(fā)表在Applied Physics Letters,2015,106,153901.
　　（2）Ag納米顆粒/BiVO4光子晶體的制備及其光電化學性能研究
　　在上一工作的基礎上，我們初步開展了Ag納米顆粒復合BiVO4光子晶體的研究工作，通過脈沖電壓沉積法制備了不同Ag負載量的Ag/BiVO4光電極。通過對樣品的表面形貌、晶體結(jié)構(gòu)、紫外-可見吸收光譜以及

7、光電流性能的測試，我們發(fā)現(xiàn) Ag納米顆粒確實可以提高BiVO4光子晶體的光電流性能，并且沉積35秒的Ag納米顆粒所制備的樣品具有最大的光電流密度。雖然在我們的實驗中觀測到了Ag納米顆粒的表面等離子體共振（SPR）吸收峰，但是由于Ag納米顆粒的SPR吸收峰、BiVO4材料的光學吸收邊、BiVO4光子晶體光子帶隙紅邊位置三者重疊，所以復合體系光電化學性能的提高到底是來源于Ag納米顆粒與BiVO4接觸形成的肖特基勢壘，還是來源于Ag納米顆粒的