基于三氧化鎢的異質結制備及其光電化學水分解行為研究.pdf

1、當今，能源危機和環境污染是制約我國經濟社會發展的重要問題，新型清潔能源從而引起了人們廣泛的關注。而在清潔能源中，太陽能資源豐富、普遍、經濟，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實驗發現利用半導體TiO2電極和鉑電極構建的光電反應電池，在外加偏壓和光照情況下，在鉑電極上能檢測到氫氣的產生，從而開啟了利用半導體材料進行太陽能分解水制氫的大門，有

2、效地將太陽能和氫能結合起來。三氧化鎢是一種重要的半導體材料，因其對可見光響應好、廉價、無毒、穩定性好等優點，其被廣泛應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合嚴重和光生載流子遷移速率慢的缺點，較嚴重地限制了其應用。本論文采用 BiVO4/Bi2S3和 In2S3對三氧化鎢薄膜電極進行表面修飾，形成的復合異質結結構有效地提高了光電化學水分解性能，并進一步分析探討了光生載流子在這些異質結光電極中的轉移機理。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異質結；其次，采用連續離子沉積法在WO3/BiVO4異質結表面修飾 Bi2S3，并真空退火使其結晶；最終，制得WO3/BiVO4/Bi2S3異質結光陽極。通過形貌與結構表征，表明成功制備了BiVO4/Bi2S3

4、修飾的垂直陣列的WO3納米片薄膜復合結構。對電極進行紫外-可見光吸收研究表明BiVO4/Bi2S3修飾的復合結構擴大了對可見光的吸收范圍，提高了太陽光利用率。通過光電化學性能表征發現，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，可達到2.2 mA cm-2；在0.49 V(vs. RHE)處，最高光電轉換效率可達0.4％，相對于未修飾WO3的納米片結構提高了10倍。WO

5、3/BiVO4/Bi2S3電極的起始電位更負，表明BiVO4/Bi2S3修飾的復合結構能夠有效改善電極的析氧動力學。對光陽極進行量子效率測試和電化學阻抗譜分析其機理，發現 WO3/BiVO4/Bi2S3復合結構相對于未修飾的WO3光陽極在可見光區域具有較高的量子轉換效率，WO3/BiVO4/Bi2S3異質結能夠有效促進光生電子-空穴對的分離。
　　2. WO3/In2S3異質結光電極的制備及其光電化學行為研究
　　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晶性；然后，在WO3薄膜表面用連續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異質結光陽極。通過形貌與結構表征發現成功制備了In2S3修飾的垂直陣列的WO3納米片薄膜復合結構。對WO3和WO3/In2S3進行紫外-可見光吸收研究表明In2S3修飾的異質結擴大了對可見光的吸收范圍，提高了太陽光利用率。通過光電化學行為研究，在1.23 V(vs.

7、 RHE)處，發現WO3/In2S3相對于WO3其光電流密度提高了2.14倍，可達到1.2 mA cm-2；在0.49 V(vs. RHE)處，最高光電轉換效率可達0.29％，相對于未修飾的WO3提高了7.25倍。對光陽極進行量子效率測試和電化學阻抗表征來揭示其內在機理，WO3/In2S3異質結能夠有效提高可見光光區的光吸收，以及促進光生電子-空穴對的有效分離。
　　本論文的研究結果表明，通過將WO3與窄帶隙半導體復合形成異質結，