TiO2復(fù)合納米陣列的設(shè)計、調(diào)控及其光電解水性能研究.pdf

1、近年來，能源危機和環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，尋找可持續(xù)、清潔、可替代傳統(tǒng)化石燃料的新能源迫在眉睫。太陽能作為一種取之不盡的能源，對其的開發(fā)和應(yīng)用是新的研究方向。光電化學(xué)電池是實現(xiàn)太陽能轉(zhuǎn)化和利用的一個有效手段，光電化學(xué)裂解水裝置可以將太陽能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能儲存在氫鍵中，最終產(chǎn)生清潔高效的氫能源。半導(dǎo)體材料由于其特殊的光學(xué)性質(zhì)和獨特的能帶結(jié)構(gòu)，經(jīng)常作為感光電極應(yīng)用于光電化學(xué)裝置中。貴金屬納米顆粒由于其自身的等離子共振效應(yīng)，可以有效地提高半導(dǎo)體材料的吸

2、光范圍和吸收系數(shù)。本文通過對過渡金屬氧化物半導(dǎo)體材料進行結(jié)構(gòu)調(diào)整和貴金屬修飾，制備出一系列光陽極，然后對其進行結(jié)構(gòu)和相貌的表征，并對其光電化學(xué)性能進行研究。本論文研究內(nèi)容主要包括以下三個方面:
　　(1)通過水熱合成的方法在導(dǎo)電玻璃基板上直接生長一維TiO2納米棒陣列，研究了反應(yīng)時間和反應(yīng)前驅(qū)物中醋酸的添加量對TiO2光陽極形貌、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響。其后，對TiO2光陽極進行Au等離子體金屬修飾，通過不同的光照時間來調(diào)節(jié)金納米顆粒的

3、數(shù)量，并研究不同金修飾量對TiO2光陽極光電化學(xué)性能的影響，揭示了等離子共振效應(yīng)對提高光陽極電化學(xué)性能的原由。結(jié)果表明，光照10 min制備的Au-TiO2-10 min光陽極的光電流達到最大值約1.1 mA/cm2(1 V vs Ag/AgCl)，是純TiO2光陽極的3.5倍。
　　(2)用兩步水熱合成的方法在導(dǎo)電玻璃基板上直接生長分枝狀的三維TiO2納米棒陣列，并研究了二次水熱時間和溫度對3D-TiO2光陽極結(jié)構(gòu)、形貌和性能的

4、影響。之后，通過控制不同的光照時間來調(diào)節(jié)金納米顆粒的數(shù)量進行Au納米粒子修飾，研究不同金修飾量對3D-TiO2光陽極光學(xué)性能和光電化學(xué)性能的影響。三維結(jié)構(gòu)與一維結(jié)構(gòu)相比，其光的吸收效率和轉(zhuǎn)化效率均有顯著的提高，光電化學(xué)性能最優(yōu)的光陽極是在光照10min制得的Au/3D-TiO2-10 min光陽極，其光電流密度為2.65 mA/cm2(1.23V vs RHE)，是修飾前的2.4倍。
　　(3)采用兩步水熱的方法，首先在導(dǎo)電玻璃基

5、板上生長TiO2納米棒陣列，之后利用晶種在一維納米陣列的基礎(chǔ)上生長二級ZnO分支，最終制備三維分枝狀的ZnO/TiO2納米棒陣列。通過形貌、結(jié)構(gòu)和光電化學(xué)表征，研究二次水熱的前驅(qū)物的濃度及反應(yīng)時間對二級結(jié)構(gòu)分支的形貌和性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)與三維同質(zhì)結(jié)構(gòu)相比，三維異質(zhì)材料的光電性能更好，這是因為兩種材料的能帶結(jié)構(gòu)和位置不同，更有利于光生載流子的快速傳輸而抑制其發(fā)生復(fù)合。ZnO/TiO2-2材料的光電流密度為1.39 mA/cm2(1.0V