氫氣處理的納米氧化鐵光解水研究.pdf

1、近年來α-氧化鐵納米材料以其資源豐富、價格低廉、光催化穩(wěn)定性好和帶隙合適(2.2eV)等特點成為最具潛力的光解水材料之一。但是,α-氧化鐵納米材料同樣也存在許多的缺點,如導電性差,空穴擴散長度短(約2-4 nm),具有較高的過電勢等,這些都使得它的光解水效率遠遠地小于其理論值,限制了它應用于大規(guī)模的商業(yè)中。因此,對α-氧化鐵納米材料進行修飾和優(yōu)化,從而使其具有更高的光催化效率,在解決能源危機方面具有十分重要的研究意義。
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2、用了水熱合成的制備方法合成了α-氧化鐵納米材料,并對其進行了氧空穴摻雜,形貌控制及表面碳包覆等處理,提高了其光電催化效率,為使其以后可能的商業(yè)應用打下了堅實的基礎(chǔ)。第二章,利用水熱法合成了α-氧化鐵納米材料,并用熱分解硼氫化鈉的方法對其進行了氫氣的熱處理。將得到的產(chǎn)品進行光解水的電流性能測試,結(jié)果顯示,氫氣的熱處理可以有效地提高α-氧化鐵納米材料的光解水性能。在外加偏壓為1.23 V vs. RHE時,最佳的氫氣熱處理樣品的光電流密度達

3、到了2.28 mA/cm2,是未經(jīng)過熱處理樣品在該電壓處光電流密度的2.5倍多。氫氣處理主要是使氧化鐵表面產(chǎn)生氧空穴從而提高效率。更重要的是,這種氫氣處理的辦法獲得的氧化鐵起始電壓相對常規(guī)的在缺氧環(huán)境下加熱產(chǎn)生氧空穴的辦法減小了120mA。通過XAS和XPS的表征發(fā)現(xiàn),氫氣熱處理過程改變了α-氧化鐵納米材料的電子結(jié)構(gòu),證明氫氣熱處理的過程只對樣品表面進行了氧空穴的摻雜并沒有對其體內(nèi)進行摻雜;通過 Mott-Schottky曲線的測試發(fā)現(xiàn)

4、載流子濃度增加了。實驗證實氫氣熱處理的方法對樣品進行了表面氧空穴的摻雜,從而提高了α-氧化鐵納米材料的導電性,最終使其光解水的性能得以提高;而常規(guī)缺氧條件下加熱產(chǎn)生氧空穴的辦法則是內(nèi)部和表面都有大量氧空穴,氫氣處理的表面氧空穴能使起始電壓得到明顯降低。這種氫氣熱處理光電極的制備以方法簡單、生產(chǎn)成本低等特點,有利于未來α-氧化鐵納米材料的大規(guī)模應用于商業(yè)。第三章中的第一部分,我們通過非常簡單的在水熱合成過程中加入氟化銨水溶液成功的合成了α

5、-氧化鐵納米棒。在光電化學性能測試中,α-氧化鐵納米棒具有更好的光電催化性能,在1.23V電壓處其光生電流密度值為1.68 mA/cm2是未加氟化銨(NH4F)樣品的二倍多。通過SEM表征可以看見納米棒具有更大的表面積,更有利于光的吸收。同時我們也發(fā)現(xiàn)α-氧化鐵納米棒的樣品的起始電壓增加了,這可能是歸因于形貌的改變使得氧化鐵納米棒引入了更多的缺陷。第三章后半部分我們介紹了一種簡單的方法來合成具有碳包覆層的α-氧化鐵納米材料。我們通過把水