本文關(guān)鍵詞：基于三氧化鎢的異質(zhì)結(jié)制備及其光電化學(xué)水分解行為研究

  更多相關(guān)文章： 光解水 光電催化 異質(zhì)結(jié) 三氧化鎢 可見(jiàn)光

【摘要】：當(dāng)今,能源危機(jī)和環(huán)境污染是制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要問(wèn)題,新型清潔能源從而引起了人們廣泛的關(guān)注。而在清潔能源中,太陽(yáng)能資源豐富、普遍、經(jīng)濟(jì),且取之不竭、用之不盡;氫能則廣泛存在于自然界中,尤其在地球上最為豐富的水資源中。自1972年,K.Honda和A.Fujishima實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)利用半導(dǎo)體TiO_2電極和鉑電極構(gòu)建的光電反應(yīng)電池,在外加偏壓和光照情況下,在鉑電極上能檢測(cè)到氫氣的產(chǎn)生,從而開(kāi)啟了利用半導(dǎo)體材料進(jìn)行太陽(yáng)能分解水制氫的大門(mén),有效地將太陽(yáng)能和氫能結(jié)合起來(lái)。三氧化鎢是一種重要的半導(dǎo)體材料,因其對(duì)可見(jiàn)光響應(yīng)好、廉價(jià)、無(wú)毒、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),其被廣泛應(yīng)用于有機(jī)物降解和光解水。然而,其自身也存在光生電子與空穴復(fù)合嚴(yán)重和光生載流子遷移速率慢的缺點(diǎn),較嚴(yán)重地限制了其應(yīng)用。本論文采用BiVO_4/Bi_2S_3和In_2S_3對(duì)三氧化鎢薄膜電極進(jìn)行表面修飾,形成的復(fù)合異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)有效地提高了光電化學(xué)水分解性能,并進(jìn)一步分析探討了光生載流子在這些異質(zhì)結(jié)光電極中的轉(zhuǎn)移機(jī)理。本論文研究分為二個(gè)部分:1.BiVO_4/Bi_2S_3修飾WO_3光電極的制備及其光電化學(xué)水分解性能研究首先水熱法制備垂直陣列的WO_3納米片薄膜,繼而在WO_3薄膜表面旋涂并高溫退火形成BiVO_4層,制得WO_3/BiVO_4異質(zhì)結(jié);其次,采用連續(xù)離子沉積法在WO_3/BiVO_4異質(zhì)結(jié)表面修飾Bi_2S_3,并真空退火使其結(jié)晶;最終,制得WO_3/BiVO_4/Bi_2S_3異質(zhì)結(jié)光陽(yáng)極。通過(guò)形貌與結(jié)構(gòu)表征,表明成功制備了BiVO_4/Bi_2S_3修飾的垂直陣列的WO_3納米片薄膜復(fù)合結(jié)構(gòu)。對(duì)電極進(jìn)行紫外-可見(jiàn)光吸收研究表明BiVO_4/Bi_2S_3修飾的復(fù)合結(jié)構(gòu)擴(kuò)大了對(duì)可見(jiàn)光的吸收范圍,提高了太陽(yáng)光利用率。通過(guò)光電化學(xué)性能表征發(fā)現(xiàn),在1.23 V(vs.RHE)處,WO_3/BiVO_4/Bi_2S_3相對(duì)于未修飾WO_3其光電流密度提高了3.92倍,可達(dá)到2.2 mA cm-2;在0.49 V(vs.RHE)處,最高光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)0.4%,相對(duì)于未修飾WO_3的納米片結(jié)構(gòu)提高了10倍。WO_3/BiVO_4/Bi_2S_3電極的起始電位更負(fù),表明BiVO_4/Bi_2S_3修飾的復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠有效改善電極的析氧動(dòng)力學(xué)。對(duì)光陽(yáng)極進(jìn)行量子效率測(cè)試和電化學(xué)阻抗譜分析其機(jī)理,發(fā)現(xiàn)WO_3/BiVO_4/Bi_2S_3復(fù)合結(jié)構(gòu)相對(duì)于未修飾的WO_3光陽(yáng)極在可見(jiàn)光區(qū)域具有較高的量子轉(zhuǎn)換效率,WO_3/BiVO_4/Bi_2S_3異質(zhì)結(jié)能夠有效促進(jìn)光生電子-空穴對(duì)的分離。2.WO_3/In_2S_3異質(zhì)結(jié)光電極的制備及其光電化學(xué)行為研究首先水熱法制備垂直陣列的WO_3納米片薄膜,并高溫退火提高電極結(jié)晶性;然后,在WO_3薄膜表面用連續(xù)離子沉積法沉積不同厚度的In_2S_3;最后,在250℃真空處理得到高性能WO_3/In_2S_3異質(zhì)結(jié)光陽(yáng)極。通過(guò)形貌與結(jié)構(gòu)表征發(fā)現(xiàn)成功制備了In_2S_3修飾的垂直陣列的WO_3納米片薄膜復(fù)合結(jié)構(gòu)。對(duì)WO_3和WO_3/In_2S_3進(jìn)行紫外-可見(jiàn)光吸收研究表明In_2S_3修飾的異質(zhì)結(jié)擴(kuò)大了對(duì)可見(jiàn)光的吸收范圍,提高了太陽(yáng)光利用率。通過(guò)光電化學(xué)行為研究,在1.23 V(vs.RHE)處,發(fā)現(xiàn)WO_3/In_2S_3相對(duì)于WO_3其光電流密度提高了2.14倍,可達(dá)到1.2 mA cm-2;在0.49 V(vs.RHE)處,最高光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)0.29%,相對(duì)于未修飾的WO_3提高了7.25倍。對(duì)光陽(yáng)極進(jìn)行量子效率測(cè)試和電化學(xué)阻抗表征來(lái)揭示其內(nèi)在機(jī)理,WO_3/In_2S_3異質(zhì)結(jié)能夠有效提高可見(jiàn)光光區(qū)的光吸收,以及促進(jìn)光生電子-空穴對(duì)的有效分離。本論文的研究結(jié)果表明,通過(guò)將WO_3與窄帶隙半導(dǎo)體復(fù)合形成異質(zhì)結(jié),極大地改善了光電極在光電化學(xué)水分解中的動(dòng)力學(xué),并顯著地?cái)U(kuò)大了對(duì)可見(jiàn)光的吸收范圍,從而提高光電化學(xué)水分解的性能。
【關(guān)鍵詞】：光解水 光電催化 異質(zhì)結(jié) 三氧化鎢 可見(jiàn)光
【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：O643.36;TQ116.2
【目錄】：

• 摘要7-9
• Abstract9-11
• 第1章 緒論11-27
• 1.1 光電化學(xué)水分解背景介紹11-13
• 1.2 光電化學(xué)水分解原理介紹13-17
• 1.2.1 光電化學(xué)水分解基本原理13
• 1.2.2 光電化學(xué)水分解基本過(guò)程13-15
• 1.2.3 光電化學(xué)水分解存在的問(wèn)題15-16
• 1.2.4 光電化學(xué)水分解電極類(lèi)型16-17
• 1.3 提高光電化學(xué)水分解性能途徑17-21
• 1.3.1 半導(dǎo)體光陽(yáng)極組份優(yōu)化18-21
• 1.3.2 半導(dǎo)體光陽(yáng)極形貌結(jié)構(gòu)優(yōu)化21
• 1.4 WO_3光電極材料研究進(jìn)展21-24
• 1.4.1 WO_3基本性質(zhì)22
• 1.4.2 WO_3光陽(yáng)極的制備方法22-23
• 1.4.3 提高WO_3光電極性能的方法23-24
• 1.5 本論文研究思路與內(nèi)容24-27
• 第2章 實(shí)驗(yàn)方法27-35
• 2.1 化學(xué)藥品27
• 2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備27-28
• 2.3 材料合成方法28-30
• 2.3.1 水熱法28
• 2.3.2 旋涂法28-29
• 2.3.3 連續(xù)離子層吸附與反應(yīng)沉積法29-30
• 2.4 材料結(jié)構(gòu)表征30-31
• 2.4.1 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡30
• 2.4.2 能量色散譜儀測(cè)試30
• 2.4.3 場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡30-31
• 2.4.4 X射線衍射分析31
• 2.4.5 紫外-可見(jiàn)光譜分析31
• 2.4.6 X射線光電子能譜法31
• 2.5 光電化學(xué)性能測(cè)試31-35
• 2.5.1 線性掃描伏安法和光電化學(xué)轉(zhuǎn)換效率32
• 2.5.2 瞬態(tài)電流測(cè)試32-33
• 2.5.3 電化學(xué)交流阻抗譜33
• 2.5.4 光電轉(zhuǎn)換效率33-35
• 第3章 BiVO_4/Bi_2S_3修飾WO_3光電極的制備及其光電化學(xué)水分解行為研究35-45
• 3.1 引言35
• 3.2 WO_3/BiVO_4 /Bi_2S_3光電極制備35-36
• 3.2.1 垂直陣列WO_3納米片薄膜制備35-36
• 3.2.2 WO_3/BiVO_4光電極的制備36
• 3.2.3 BiVO_4/Bi_2S_3和WO_3/BiVO_4/Bi_2S_3光電極的制備36
• 3.3 結(jié)果與討論36-43
• 3.3.1 WO_3和WO_3/BiVO_4 /Bi_2S_3的形貌分析36-37
• 3.3.2 WO_3和WO_3/ BiVO_4 /Bi_2S_3的成份分析37-38
• 3.3.3 WO_3和WO_3/BiVO_4/Bi_2S_3的TEM分析38
• 3.3.4 WO_3/BiVO_4 /Bi_2S_3異質(zhì)結(jié)的晶體結(jié)構(gòu)分析38-39
• 3.3.5 WO_3和WO_3/BiVO_4/Bi_2S_3的表面分析39-40
• 3.3.6 WO_3, BiVO_4/Bi_2S_3和WO_3/BiVO_4/Bi_2S_3的光吸收性質(zhì)40-41
• 3.3.7 WO_3,BiVO_4 /Bi_2S_3和WO_3/BiVO_4 /Bi_2S_3的電化學(xué)阻抗分析41
• 3.3.8 WO_3, BiVO_4 /Bi_2S_3和WO_3/BiVO_4/Bi_2S_3的I-T曲線分析41-42
• 3.3.9 WO_3, BiVO_4/Bi_2S_3和WO_3/BiVO_4/Bi_2S_3電極光電化學(xué)性能42-43
• 3.3.10 WO_3, BiVO_4 /Bi_2S_3和WO_3/BiVO_4 /Bi_2S_3的IPCE分析43
• 3.4 WO_3/BiVO_4/Bi_2S_3光電極中電子傳輸機(jī)理43-44
• 3.5 本章小結(jié)44-45
• 第4章 WO_3/In_2S_3異質(zhì)結(jié)的制備及其光電化學(xué)行為研究45-55
• 4.1 引言45
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分45-46
• 4.2.1 垂直陣列WO_3薄膜制備45
• 4.2.2 WO_3/In_2S_3光電極制備45-46
• 4.3 結(jié)果與討論46-52
• 4.3.1 WO_3和WO_3/In_2S_3電極形貌分析46
• 4.3.2 WO_3和WO_3/In_2S_3電極成份分析46-47
• 4.3.3 WO_3和WO_3/BiVO_4/Bi_2S_3的TEM分析47-48
• 4.3.4 WO_3和WO_3/In_2S_3的晶體結(jié)構(gòu)分析48
• 4.3.5 WO_3和WO_3/In_2S_3的表面分析48-49
• 4.3.6 WO_3和WO_3/In_2S_3的光吸收性質(zhì)49-50
• 4.3.7 WO_3和WO_3/In_2S_3電極電化學(xué)交流阻抗分析50
• 4.3.8 WO_3和WO_3/In_2S_3的I-T曲線分析50-51
• 4.3.9 WO_3和WO_3/In_2S_3電極光電化學(xué)性能51-52
• 4.3.10 WO_3和WO_3/In_2S_3電極量子效率52
• 4.4 WO_3/In_2S_3光電極中電子傳輸機(jī)理52-53
• 4.5 本章小結(jié)53-55
• 第5章 本論文結(jié)論與展望55-57
• 5.1 本論文結(jié)論55-56
• 5.2 研究展望56-57
• 參考文獻(xiàn)57-73
• 發(fā)表論文與科研成果73-75
• 致謝75

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