【摘要】：光電催化分解水可以將光能直接轉(zhuǎn)化為氫能,成為解決能源問題的可能途徑之一。目前光陽極的光電催化性能偏低,很大程度上制約了光電催化在分解水中的應(yīng)用。近年來,人們在改善氧化物半導(dǎo)體光陽極材料的光電催化性能方面取得了長足進步,尤其是在光陽極的摻雜和表面復(fù)合或修飾方面。但是人們對于摻雜或表面復(fù)合過程對光陽極綜合性能的影響關(guān)注不夠,而這一點對于光陽極的實際應(yīng)用至關(guān)重要。針對這一問題,我們選取了目前廣泛研究的Fe_2O_3和WO_3光陽極材料,分別對摻雜和修飾后影響光電流和起始電位的關(guān)鍵因素進行了研究,主要工作內(nèi)容如下:采用TiCl_3溶液后處理的方法,制備了Ti摻雜Fe_2O_3納米棒陣列。通過結(jié)構(gòu)分析和表征,我們發(fā)現(xiàn)Ti摻雜導(dǎo)致Fe_2O_3表面的無序結(jié)構(gòu)增多。光電化學(xué)測試結(jié)果表明,Ti摻雜可以顯著提升Fe_2O_3光陽極在高電位下的光電流,但同時引起了起始電位的正移。為了揭示起始電位正移的原因,我們進行了詳細的電化學(xué)表征和電極反應(yīng)過程分析。由于Ti摻雜前后Fe_2O_3光陽極的水氧化反應(yīng)都是表面態(tài)參與的反應(yīng)過程,因此表面無序結(jié)構(gòu)的增多使Fe_2O_3薄膜的表面態(tài)增多,由此減慢了薄膜表面水氧化反應(yīng)的動力學(xué),在低電位、光照條件下的電荷復(fù)合嚴重。更多的表面態(tài)以及低電位下大的電荷轉(zhuǎn)移電阻使得起始電位發(fā)生了明顯的正移,而電位升高時,由于外加偏壓克服了表面電荷轉(zhuǎn)移勢壘,更多的表面態(tài)則加速了表面反應(yīng),使光電流快速增加。采用氧空位還原和光化學(xué)還原方法,分別在WO_3薄膜上負載了Au納米顆粒,研究不同負載方法對Au顆粒的尺寸和分散狀態(tài)的影響,以及不同Au顆粒對WO_3光陽極性能的影響。通過氧空位還原方法負載的Au顆粒為10-45 nm,結(jié)晶性良好,而光化學(xué)還原方法負載的Au顆粒為1-2 nm。初步實驗結(jié)果表明,在相同Au負載量的條件下,兩種Au顆粒的修飾都會減小WO_3薄膜的界面電荷轉(zhuǎn)移電阻,但是大尺寸Au修飾后WO_3薄膜的光電流明顯增加,但起始電位基本不變,其增強機制源于等離子體共振能量轉(zhuǎn)移和熱電子注入;而小尺寸Au顆粒修飾后WO_3薄膜的起始電位出現(xiàn)明顯負移,光電流的增加并不顯著,因此增強機制主要是表面催化作用。
【圖文】：

在這個間隙內(nèi)沒有能級存在，被稱為禁帶。當光價帶中的電子會吸收能量大于禁帶寬度的光子，躍遷到導(dǎo)帶，電子，而在價帶中留下了空穴。導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴和陽極表面，與水發(fā)生還原、氧化反應(yīng)，生成氫氣和氧氣（公2()2e HHER (1-1)22()221hOHOER (1-2)HO,G237kJ/mol2212 (1-3)應(yīng)在陰極發(fā)生，OER 反應(yīng)在陽極發(fā)生。從公式(1-3)可以看出，應(yīng)，產(chǎn)生 1 mol 氫氣需要外加 237 kJ 的能量，對應(yīng)的電壓為 1.2一半導(dǎo)體而言，僅靠吸收光來實現(xiàn)水的全分解，則需要禁帶寬度半導(dǎo)體能帶的位置也需要跨越水的還原和氧化能級，即導(dǎo)帶底負，價帶頂 Ecb要比 E0(O2/H2O)更正，如圖 1.1 所示。

23圖 2.1 高能電子與物質(zhì)相互作用所發(fā)生的現(xiàn)象[96]描電子顯微鏡的放大倍數(shù)一般最大為 200,000 倍。當聚焦的電子束照射會產(chǎn)生如圖 2.1 所示的各種信號。SEM 收集二次電子(Secondary electron示樣品的形貌[97]。另外，，SEM 上可以配備 X 射線能譜儀(EDS)等附件析樣品的元素組成。SEM 具有圖像立體感強、景深大、制樣簡單的優(yōu)研究在制樣時為了增加薄膜的導(dǎo)電性，在正面（導(dǎo)電面）也用導(dǎo)電膠。透射電子顯微鏡(TEM)射電子顯微鏡的放大倍數(shù)一般最大為 1,000,000 倍。高分辨的圖像和選以用于晶體結(jié)構(gòu)的解析，同時也可以配備 EDS 附件用于分析元素組成
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ116.2;TQ426

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 胡子軒;張曉光;;太陽能光伏發(fā)電技術(shù)和光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)比較[J];內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟;2014年17期

2 王光偉;許書云;韓蕾;孫鴻波;;太陽能光熱利用主要技術(shù)及應(yīng)用評述[J];材料導(dǎo)報;2014年S1期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 鄧久軍;氧化鐵光電極的改性及光電催化分解水性能研究[D];蘇州大學(xué);2016年

本文編號：2624507