本文關(guān)鍵詞：新型納米有序陣列的調(diào)控制備及其光電化學(xué)特性研究

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【摘要】：氧化物納米有序陣列因其高度有序的納米結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理化學(xué)性能在光催化、光解水制氫和太陽(yáng)能電池等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。但是TiO2納米管陣列只能吸收紫外光,Fe2O3納米管陣列雖具有較強(qiáng)的光吸收能力,但載流子易復(fù)合,這些都阻礙了其進(jìn)一步應(yīng)用。而現(xiàn)有改性方法的可操作性較差,太陽(yáng)光利用率依然很低,需要探索新的改性方法改善其光電化學(xué)性質(zhì)。本課題采用陽(yáng)極氧化過(guò)程中原位自組裝摻雜和表面氫化處理兩種改性策略調(diào)控制備新型氧化物納米有序陣列,揭示生長(zhǎng)規(guī)律并研究其光電化學(xué)特性,探究光電轉(zhuǎn)換機(jī)理。首先通過(guò)陽(yáng)極氧化法在一定的電解液中,以金屬或合金片(Ti、Ti-0.2Pd、Fe-0.5Ti)為陽(yáng)極,石墨為陰極,在一定條件下調(diào)控生長(zhǎng)得到不同的納米管陣列(Nanotube Arrays,簡(jiǎn)稱(chēng)NTAs),并對(duì)TiO2 NTAs和Ti-Pd-O NTAs進(jìn)行表面氫化處理。然后通過(guò)SEM、EDS、XRD及XPS等表征手段來(lái)揭示其形貌、結(jié)構(gòu)和物相組成的變化,通過(guò)光吸收及光電化學(xué)性質(zhì)研究其性能的改變,研究發(fā)現(xiàn):(1)金屬Ti在0.5wt%NH4F+0.1mol/L H3PO4電解液中,20V下,反應(yīng)1h生長(zhǎng)出管徑85nm,630nm長(zhǎng)的TiO2 NTAs,550℃熱處理后含有少量金紅石相的銳鈦礦相的納米管陣列的光電特性最好,最大光電流密度為0.53mA/cm2,最高光轉(zhuǎn)化效率約0.38%。以此為前驅(qū)體進(jìn)行氫化研究發(fā)現(xiàn),在450℃,時(shí)間為3h,在氫氣濃度為0.3atm的條件下于450℃氫化3h光電性能最佳,最大光電流密度為1.4mA/cm2,最大光轉(zhuǎn)化效率達(dá)到1.16%,分別為氫化前的2.64倍和3倍。(2)鈦合金Ti-0.2Pd在0.5wt%NH4F+0.1mol/L H3PO4電解液中,經(jīng)20V,1h時(shí)的陽(yáng)極氧化得到內(nèi)徑90nm、壁厚14nm和管長(zhǎng)600nm的Ti-Pd-O NTAs,550℃處理后光電性能最好,光電流密度為0.66mA/cm2,光轉(zhuǎn)化效率達(dá)到0.48%。以此為前驅(qū)體對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步表面氫化改性,氫化溫度為400℃時(shí),Ti-Pd-O NTAs的光電流密度達(dá)到0.92mA/cm2,最大光轉(zhuǎn)化效率達(dá)到0.66%,是未氫化Ti-Pd-O NTAs的1.4倍,是未氫化TiO2 NTAs的1.7倍。(3)鈦合金Ti-0.2Pd在0.5wt%NH4F+3.0vol%H2O的乙二醇電解液中,經(jīng)30V,12h陽(yáng)極氧化,550℃熱處理后得到的Ti-Pd-O NTAs具有較好的光電化學(xué)性質(zhì),最大光電流密度為0.62mA/cm2,最大光轉(zhuǎn)化效率是0.46%。以此為前驅(qū)體,在氫化溫度為500℃時(shí),光電流密度達(dá)到0.75mA/cm2,最大光轉(zhuǎn)化效率達(dá)到0.66%,是未氫化Ti-Pd-O NTAs的1.4倍,是未氫化TiO2 NTAs的1.9倍。(4)在0.3wt%NH4F+3.0vol%H2O的乙二醇中陽(yáng)極氧化生長(zhǎng)Fe-Ti-O NTAs,在50V,15min時(shí)得到內(nèi)徑約35nm,管長(zhǎng)約1.6μm相對(duì)較好的形貌。經(jīng)400℃熱處理后,含有少量Fe3O4的Fe2O3 NTAs具有較好可見(jiàn)光吸收,光電性質(zhì)較好,光響應(yīng)電流密度為0.03mA/cm2,Ti4+作為施主缺陷形成捕獲中心,促進(jìn)了光電性質(zhì)的提升。通過(guò)原位自組裝摻雜和表面氫化兩種改性方式發(fā)現(xiàn)一定溫度下的表面氫化能夠有效的提高納米有序陣列的光電化學(xué)性質(zhì),主要是由于形成了氧空位和表面無(wú)序能夠增加載流子密度,提高光生電子和空穴的傳輸效率。原位自組裝摻雜能夠形成雜質(zhì)能級(jí)而提高其性能,兩種改性方法具有一定的協(xié)同效應(yīng)。本課題通過(guò)原位自組裝摻雜和表面氫化對(duì)納米有序陣列進(jìn)行改性,其光電化學(xué)性質(zhì)有一定的提高,促進(jìn)了半導(dǎo)體材料在光電器件中的應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】：氧化物納米有序陣列 陽(yáng)極氧化 原位自組裝摻雜 氫化 光電化學(xué)性質(zhì)
【學(xué)位授予單位】：河南工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TB383.1
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 引言12-21
• 1.1 納米有序陣列的制備12-14
• 1.1.1 模板法13
• 1.1.2 水熱法13
• 1.1.3 陽(yáng)極氧化法13-14
• 1.2 納米有序陣列的改性14-18
• 1.2.1 納米有序陣列的原位自組裝摻雜15-16
• 1.2.2 納米有序陣列的表面氫化16-17
• 1.2.3 納米有序陣列的共摻雜17-18
• 1.3 納米有序陣列的應(yīng)用18-20
• 1.3.1 光催化18
• 1.3.2 光解水制氫18-19
• 1.3.3 太陽(yáng)能電池19
• 1.3.4 超級(jí)電容器與鋰電池19-20
• 1.3.5 敏感器件20
• 1.4 本課題研究目的與意義20-21
• 2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法21-29
• 2.1 研究?jī)?nèi)容與技術(shù)路線21-22
• 2.1.1 研究?jī)?nèi)容21
• 2.1.2 技術(shù)路線21-22
• 2.2 試驗(yàn)材料與設(shè)備22-23
• 2.2.1 試驗(yàn)藥品22
• 2.2.2 試驗(yàn)設(shè)備22-23
• 2.3 試驗(yàn)步驟23-26
• 2.3.1 TiO_2 NTAs的制備與氫化23-25
• 2.3.2 H_3PO_4體系中Ti-Pd-O NTAs的制備與氫化25
• 2.3.3 乙二醇體系中Ti-Pd-O NTAs的制備與氫化25-26
• 2.3.4 Fe-Ti-O NTAs的制備26
• 2.4 樣品的表征26-27
• 2.4.1 掃描電鏡(SEM)26
• 2.4.2 X射線能量色散譜(EDS)26
• 2.4.3 X射線衍射(XRD)26-27
• 2.4.4 X-射線光電子能譜(XPS)27
• 2.5 樣品性能測(cè)試27-29
• 2.5.1 光吸收測(cè)試27
• 2.5.2 光電化學(xué)特性27-29
• 3 TiO_2 NTAs的制備與氫化研究29-39
• 3.1 TiO_2 NTAs制備與表征29-32
• 3.1.1 SEM分析29-30
• 3.1.2 XRD分析30-31
• 3.1.3 光電化學(xué)性質(zhì)31-32
• 3.2 氫化TiO_2 NTAs的表征32-38
• 3.2.1 氫化參數(shù)的確定32-34
• 3.2.2 氫化TiO_2 NTAs的表征34-38
• 3.4 小結(jié)38-39
• 4 H_3PO_4體系中Ti-Pd-O NTAs的制備與氫化研究39-53
• 4.1 Ti-Pd-O NTAs的制備39-47
• 4.1.1 電壓對(duì)Ti-Pd-O NTAs的影響39-41
• 4.1.2 時(shí)間對(duì)Ti-Pd-O NTAs的影響41-42
• 4.1.3 Ti-Pd-O NTAs的生長(zhǎng)機(jī)理42-43
• 4.1.4 XRD表征43-44
• 4.1.5 紫外-可見(jiàn)光吸收性質(zhì)44
• 4.1.6 光電化學(xué)性質(zhì)44-47
• 4.2 氫化Ti-Pd-O NTAs制備及光電性質(zhì)研究47-51
• 4.2.1 XRD分析47-48
• 4.2.2 光電化學(xué)性質(zhì)48-49
• 4.2.3 SEM分析49-50
• 4.2.4 XPS分析50-51
• 4.2.5 紫外-可見(jiàn)光吸收性質(zhì)51
• 4.3 小結(jié)51-53
• 5 乙二醇體系Ti-Pd-O NTAs的制備與氫化研究53-65
• 5.1 乙二醇體系Ti-Pd-O NTAs的制備53-59
• 5.1.1 電壓對(duì)Ti-Pd-O NTAs的影響53-54
• 5.1.2 時(shí)間對(duì)Ti-Pd-O NTAs的影響54-55
• 5.1.3 XRD分析55-56
• 5.1.4 紫外-可見(jiàn)光吸收性質(zhì)56-57
• 5.1.5 光電化學(xué)性質(zhì)57-59
• 5.2 氫化Ti-Pd-O NTAs制備與研究59-64
• 5.2.1 XRD分析60
• 5.2.2 光電化學(xué)性質(zhì)60-62
• 5.2.3 SEM表征62
• 5.2.4 XPS表征62-63
• 5.2.5 紫外-可見(jiàn)光吸收性質(zhì)63-64
• 5.3 小結(jié)64-65
• 6 Fe-Ti-O NTAs的制備研究65-72
• 6.1 制備參數(shù)對(duì)Fe-Ti-O NTAs的影響65-71
• 6.1.1 電壓對(duì)Fe-Ti-O NTAs的影響65-66
• 6.1.2 時(shí)間對(duì)Fe-Ti-O NTAs的影響66-67
• 6.1.3 攪拌方式對(duì)Fe-Ti-O NTAs的影響67-68
• 6.1.4 XRD表征68
• 6.1.5 XPS分析68-69
• 6.1.6 紫外-可見(jiàn)光吸收性質(zhì)69-70
• 6.1.7 光電化學(xué)性質(zhì)70-71
• 6.2 小結(jié)71-72
• 結(jié)論與展望72-74
• 參考文獻(xiàn)74-80
• 致謝80-81
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷、攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文和研究成果81

【相似文獻(xiàn)】

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1 魏飛;張強(qiáng);騫偉中;徐光輝;項(xiàng)榮;溫倩;王W，

本文編號(hào)：555541