復合結構薄膜電極的制備及其光電催化性能研究.pdf

1、面對日益嚴峻的環境問題和能源危機，清潔能源的開發和利用吸引了當今社會越來越多的關注。利用太陽能和半導體光催化劑進行光解水制備氫氣的技術，作為一種環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氫效率還達不到可以商業化應用的水平。所以，開發出一種高效的光解水半導體催化劑就成為主要的研究方向。本文的主要研究內容就是復合結構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

2、穩定性高以及合適的帶隙寬度(2.1 eV)等優點，是非常適合用來進行光解水產氫的半導體材料。但是單純的α-Fe2O3自身的導電性很差，大大的限制了其光電化學過程。所以，我們開發了一種新穎的采用金屬鈦片為基底，通過常壓化學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光陽極顯示了優越的光電化學性能。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到了80μA/cm2和0.9 mA/cm2。在360 nm和400 nm處的光電轉化效率值分別為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構α-Fe2O3光陽極，其光電性能也達到同類超薄薄膜的世界領先水平。通過 XPS測試，驗證了 Ti原子確實摻雜進了α-Fe2O3薄膜內，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)，是一種廣泛應用的光伏材料，p-Si是一種極為高效的太陽能產氫光電極材料。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，光電化學反應過程中還存在光腐蝕的問題，而且表面的大量氣泡的產生也可能導致表面金屬催化劑的脫落。所以設計新的表面結構，

5、提高光電催化材料的穩定性和性能是光陰極材料研發的重要課題。本文中，我們通過金屬輔助化學腐蝕法，在平面Si表面引入納米線狀的表面結構，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，起到同時保護半導體材料和Pt催化劑的作用。Pt顆粒和電解液被15 nm的TiO2層隔開，這種結構表現出良好的化學穩定性和更正的起始電位。最后得到的TiO2/Pt/SiNW光電極表現出比平面

6、 Si，Pt/planar Si,和 TiO2/Pt/planar Si光電極更優越的光電化學性能和化學穩定性。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，最大光電轉化效率是15.6%。我們首次發現，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，而且該結構的光電催化性能達到同

7、類樣品的世界先進水平。
　　Pt顆粒是最經常使用的優秀的光電催化劑，但是由于其成本因素，我們仍然希望開發過渡金屬或其氧化物來取代Pt作為光陰極的催化劑。結合之前的兩個工作，我們通過常壓化學氣相沉積法(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強度的光照下，電壓為?1.5