【摘要】：光電化學(xué)(PEC)水分解因其可以產(chǎn)出清潔可再生的氫能來解決即將到來的能源危機(jī)而引起了人們的高度關(guān)注。然而,PEC水分解仍然面臨諸多挑戰(zhàn),其中最大的問題就是構(gòu)建一種擁有高效電荷分離和高表面反應(yīng)性的光陽極。在各種半導(dǎo)體中,氧化鐵(Fe_2O_3)由于其來源豐富,光化學(xué)穩(wěn)定性高,無毒性和適當(dāng)?shù)膸?1.9-2.2 eV),是最有前景的光陽極材料之一。然而,納米Fe_2O_3的PEC性能受到其固有缺陷的限制,包括導(dǎo)電性差,電荷復(fù)合速率快和低的氧化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。因此,為了提高Fe_2O_3的PEC性能人們做了許多努力,如元素?fù)诫s,形態(tài)控制,表面改性和構(gòu)建異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)等。本論文從元素?fù)诫s和表面修飾兩方面對(duì)Fe_2O_3進(jìn)行了改性研究,并對(duì)改性前后的光陽極材料進(jìn)行表征,從而確定其光電性能提升原因,為設(shè)計(jì)和制備高效的光陽極材料提供理論和實(shí)驗(yàn)上的依據(jù)。本論文的主要研究?jī)?nèi)容如下:1.MnO_2修飾的P摻雜的Fe_2O_3光陽極材料的制備及其光電化學(xué)性能研究。采用水熱和煅燒的方法在導(dǎo)電玻璃(FTO)表面生長(zhǎng)了Fe_2O_3納米棒陣列。通過簡(jiǎn)單浸漬的方法在Fe_2O_3體相內(nèi)引入磷摻雜,再通過浸漬退火的方法在P摻雜Fe_2O_3的表面修飾一層MnO_2助催化劑,并考察了其光電化學(xué)性能。光電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明,P摻雜可以增強(qiáng)光陽極的載流子密度(從3.44×10~(19)cm~(-3)提高到9.09×10~(19)cm~(-3)),MnO_2助催化劑修飾可以促進(jìn)表面電荷分離,MnO_2/P:Fe_2O_3的光電流密度在相對(duì)于可逆氫電勢(shì)1.23 V時(shí)達(dá)到1.65 mA·cm~(-2),比原始Fe_2O_3提升了四倍左右(0.35 mA·cm~(-2))。摻雜和修飾后Fe_2O_3光陽極材料的載流子密度密度和電荷分離效率都得到了大幅度地提升,阻抗明顯下降。2.FeO_(1-x)OH修飾的P摻雜的Fe_2O_3光陽極材料的制備及其光電化學(xué)性能研究。采用水熱和煅燒的方法在導(dǎo)電玻璃(FTO)表面生長(zhǎng)了Fe_2O_3納米棒陣列。通過浸漬的方法在Fe_2O_3體相內(nèi)引入了磷摻雜,顯著地提升了導(dǎo)電性;然后通過浸漬的方法在P摻雜Fe_2O_3的表面沉積了一層FeO_(1-x)OH助催化劑,增強(qiáng)了其氧化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。FeO_(1-x)OH/P:Fe_2O_3的光電流密度在相對(duì)于可逆氫電勢(shì)1.23 V時(shí)達(dá)到2.10 mA·cm~(-2),比原始Fe_2O_3提升了四倍多(0.43 mA·cm~(-2))。研究表明,在FeO_(1-x)OH助催化劑中,Fe~(2+)起主要作用。在PEC水氧化過程中,Fe~(2+)被光生空穴氧化成Fe~(3+),Fe~(3+)可以更快速地氧化水,本身被還原成Fe~(2+)。不僅顯著地增強(qiáng)了氧化反應(yīng)動(dòng)力學(xué),還有效地促進(jìn)了電荷分離。
【圖文】：

圖 1-1 n 型半導(dǎo)體作為光陽極的光電化學(xué)池示意圖[6]礎(chǔ)首次發(fā)現(xiàn) TiO2可以分解水至今，四十多年過去了，在光電化成就，但是迄今為止已經(jīng)開發(fā)的大部分 PEC 水分解系統(tǒng)仍然尋找高效水分解光電極材料仍在進(jìn)行中[4]。溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體（conductor）與絕緣體（insulator）之間（semiconductor）[4]。實(shí)際應(yīng)用中，最常用能帶理論來解釋半energy band）是由大量能級(jí)密集形成的，在能帶中，能量最高 band，VB），價(jià)帶之上空著的就是導(dǎo)帶（conduction band，CB還有禁帶，禁帶是由價(jià)帶和導(dǎo)帶之間不存在能級(jí)的能量范圍組隙（band gap）。當(dāng)半導(dǎo)體受到光或熱激發(fā)時(shí)，價(jià)帶中的電子會(huì)在價(jià)帶中留下空穴，導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴合稱空穴電

為分解水的決速步在產(chǎn)氧，所以更多人從事的是光陽極的研究。導(dǎo)體光陽極材料研究于用作 PEC 水分離器件的半導(dǎo)體電極，應(yīng)滿足一些關(guān)鍵要求，如適當(dāng)?shù)膸趸�原電位適當(dāng)?shù)膬r(jià)態(tài)和導(dǎo)帶位置、高的可見光吸收、在開光和閉光狀穩(wěn)定性以及商業(yè)可行性等[7-9]。對(duì)于理想的水分解半導(dǎo)體材料來說，價(jià)帶和導(dǎo)置必須跨越水氧化和還原電位（即 Ec> Ered,water和 Ev<Eox,water），圖 1-2 展示體導(dǎo)價(jià)帶位置相對(duì)于水氧化還原電位的能帶邊緣位置。諸如 TiO2、SnO2、較大的半導(dǎo)體，需要很高的能量才能激發(fā)，太陽光光譜中占比很大的可見光發(fā)，只有占太陽光譜約 4％的紫外光才能將其激發(fā)；小帶隙半導(dǎo)體如 Si、GadTe、CdSe、CuO 等理論上可以吸收太陽光譜中可見光部分，但其浸入電解生腐蝕[10, 11]。只有中間帶隙半導(dǎo)體如 Fe2O3、BiVO4、Ta3N5、WO3等，既光，，也不容易腐蝕，因此它們的研究得到了廣泛關(guān)注。
【學(xué)位授予單位】：西北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB383.1;O646.542

【參考文獻(xiàn)】

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1 劉增勛;劉志昂;滿磊;朱靜茹;李賢;;獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J];綠色科技;2014年09期

2 王耀明;羅文俊;歐陽述昕;李朝升;于濤;鄒志剛;;SrTiO_3/α-Fe_2O_3異質(zhì)結(jié)光陽極光電轉(zhuǎn)換性能[J];發(fā)光學(xué)報(bào);2007年02期

本文編號(hào)：2657832