在TiO2表面間斷脈沖沉積Cu2O顆粒及光電化學性質研究.pdf

1、氧化亞銅(Cu2O)是一種直接帶隙半導體，由于它帶隙窄、儲量豐富且沒有毒性，因而在光催化、電化學、太陽能電池和光分解水制氫等領域有著非常廣泛的應用。此外，Cu2O通常是一種p型半導體，能帶寬度為1.9～2.2eV，可與帶隙較寬的n型半導體形成異質結結構。二氧化鈦(TiO2)/Cu2O顆粒異質結結構一直是人們研究的熱點，很多研究小組發(fā)現(xiàn)其光電轉化和光催化效率都得到了非常顯著的提高，但是對Cu2O顆粒在TiO2表面的生長形態(tài)及穩(wěn)定性等方面還

2、缺乏研究。本文中，我們在平整的TiO2薄膜表面上采用一種特別的間斷脈沖沉積法制備Cu2O顆粒，通過這種方法可以控制其顆粒的尺寸和分布密度。我們利用陽極氧化的方法在Ti片上制備出一層平整TiO2薄膜，這樣可以方便地觀察到Cu2O顆粒生長特性及光電化學反應后的微觀結構和形貌等的變化。
　　 本文系統(tǒng)地研究了間斷沉積的周期數(shù)、一個周期內的脈沖數(shù)目以及脈沖電壓的高度等生長參數(shù)對Cu2O顆粒的形貌、微觀結構和Cu2O/TiO2光電化學特性

3、的影響。在光電化學測試中，零偏壓下Cu2O/TiO2異質結的光電流相比于TiO2薄膜有了明顯的增加，并且隨著間斷沉積周期次數(shù)先增加，當沉積數(shù)增加到6次時，此時Cu2O顆粒在TiO2表面的分布密度最大，因而光電流也最大。當沉積周期數(shù)超過6次后，Cu2O/TiO2異質結的光電流開始降低，這是由于覆蓋在TiO2表面上的Cu2O顆粒開始沿著豎直方向堆積生長，這樣的堆積結構使得Cu2O/TiO2接觸區(qū)域的光吸收降低進而導致光電流減小。同時，在測試

4、中Cu2O/TiO2異質結的光電流有著明顯的衰減，我們研究了Cu2O顆粒在光電化學反應中的穩(wěn)定性。發(fā)現(xiàn)隨著光電流開始趨于穩(wěn)定，出現(xiàn)了Cu2O到Cu的轉變。相比于Ti基底的純TiO2層，TiO2表面附著了Cu2O或者Cu顆粒后，其光電化學特性都有了明顯的提高，但是兩者機制有所不同，本論文提出了對應的模型并給出了解釋。
　　 論文進一步研究了Cu2O在TiO2表面的穩(wěn)定性。從TiO2電極在Cu(NO3)2溶液中循環(huán)伏安曲線上分別得到

5、了從Cu2+向Cu+、Cu+向Cu轉變的陰極還原峰，并分別以還原峰的電勢作為沉積電壓制備出了Cu2O和Cu納米顆粒。發(fā)現(xiàn)以Cu2O還原電勢為沉積電壓制備出來的Cu2O顆粒具有較好的(111)取向，因而形成的Cu2O/TiO2異質結的光電特性更加穩(wěn)定，即在光電化學測試中Cu2O/TiO2異質結光電流的衰減速度比較緩慢。而相比于從Cu2O還原轉換過來的Cu顆粒，以Cu的還原電勢為沉積電壓直接制備出來的Cu顆粒所得Cu/TiO2光電性能更好，