本文選題：氧化鋅　切入點：復合結(jié)構(gòu)　出處：《北京科技大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：ZnO是一種n型直接寬帶隙Ⅱ-Ⅵ族金屬氧化物半導體材料,具有一系列獨特的光學和電學性能,被廣泛應(yīng)用于太陽能電池和光電化學電池等能量轉(zhuǎn)換器件。基于此材料,利用了表面修飾(金納米顆粒、ZnS中間層和Al_2O_3鈍化層)和摻雜等手段,構(gòu)建了功能相互彌補的ZnO復合納米結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了ZnO/ZnS/Au、ZnO/Au/Al_2O_3和ZnO:V光陽極的設(shè)計與構(gòu)建。此外,成功設(shè)計合成了二維納米片/一維納米棒混合維度分級結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了ZnO/CdS/Ni(OH)2異質(zhì)結(jié)光陽極的構(gòu)建。系統(tǒng)研究了能帶調(diào)控、表面鈍化、外電場極化及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等機制對光生載流子的產(chǎn)生、分離和復合等行為的調(diào)控作用,探索了提高光陽極光電化學性能的有效途徑。針對能帶調(diào)控,在ZnO納米棒表面原位合成了 ZnS層和Au納米顆粒。ZnO/ZnS界面處存在的晶格應(yīng)變導致了界面處ZnO的禁帶寬度減小,有利于熱電子從Au注入到ZnO導帶,增加了光陽極在可見光區(qū)域的光電轉(zhuǎn)換效率。ZnO/ZnS/Au的光轉(zhuǎn)氫效率分別為ZnO/Au和ZnO光陽極的2倍和3.5倍。針對表面鈍化作用,在修飾有Au納米顆粒的ZnO納米棒上,通過原子層沉積法在ZnO表面沉積了Al_2O_3鈍化層。A1203層的表面鈍化作用減少了ZnO表面光生載流子的復合,使光陽極的光轉(zhuǎn)氫效率提升至0.68%,分別為ZnO/Au和ZnO光陽極的1.7倍和6.7倍。針對外電場極化,成功實現(xiàn)了 ZnO納米棒陣列釩摻雜的可控制備。適量釩摻雜減少了界面光生載流子的復合,增大了固液界面處能帶彎曲,促進了光生載流子的有效分離,使光陽極光轉(zhuǎn)氫效率達到0.83%,相比于純ZnO光陽極效率提升了 120%。釩摻雜為ZnO納米棒引入鐵電性,利用外電場對光陽極進行極化,進一步調(diào)控界面處的能帶彎曲。當施加負偏壓極化時,增大了固液界面處能帶彎曲,促進了光生載流子的分離,使光電流的開啟電壓負移,光陽極光轉(zhuǎn)氫效率提升至1.04%,相較于極化之前的效率提升了 25%。針對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,實現(xiàn)了二維ZnO納米片-一維ZnO納米棒(2D/1D)混合維度結(jié)構(gòu)的制備。FDTD模擬結(jié)果表明,該2D/1D分級結(jié)構(gòu)在增加可見光吸收材料CdS負載量的同時,提升了 ZnO/CdS異質(zhì)結(jié)的有效結(jié)區(qū)面積,實現(xiàn)了光生載流子的高效產(chǎn)生和有效分離。修飾Ni(OH)2催化劑后,Ni2+/Ni3+/Ni4+一系列氧化還原反應(yīng)加速了光生空穴的消耗,使光轉(zhuǎn)氫效率提升至4.12%,為ZnO納米片光陽極的20.6倍;同時空穴的快速消耗減少了光生空穴在CdS表面的累積,從而抑制了 CdS的光腐蝕現(xiàn)象發(fā)生,提升了光陽極的穩(wěn)定性。本研究深入研究了不同形式ZnO基復合結(jié)構(gòu)光陽極的光電化學性能及其相對應(yīng)性能增強手段的工作機制。通過該研究,豐富了 ZnO納米材料在光電化學領(lǐng)域的應(yīng)用,為ZnO納米材料在能量轉(zhuǎn)換器件方面的應(yīng)用提供了理論指導和實驗基礎(chǔ)。
[Abstract]:ZnO is a kind of n-type direct wide band gap 鈪，

本文編號：1592317