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由于TiO2半导体无毒易得,有着优越的光化学稳定性,所以在光电化学(PEC)分解水制氢领域受到持续的关注。但是,TiO2的禁带宽度大(3.2eV),只能吸收小于400 nm的紫外光,且光生电荷复合率高,太阳能利用率很低。因此,增强可见光吸收能力,有效分离光生载流子和延长载流子命是提高TiO2基光阳极光电化学性能的关键问题。本论文利用水热法制备了纳米线阵列结构TiO2光阳极材料,并以之为基础,通过负载窄带隙半导体CdS和Cu2O,分别制备出TiO2/CdS二元和TiO2/CdS/Cu2O三元纳米线阵列结构。表征了所制备纳米线阵列结构的成分、晶体结构、形态和尺寸。研究了纳米线阵列结构的光吸收性能、光生载流子传输和转移过程、光生载流子寿命、光电化学和光电化学制H2性能,本论文的主要研究内容和结论如下:(1)以钛酸四丁酯为钛源,通过水热法和后续退火处理法制备TiO2纳米线阵列结构,并研究退火处理温度对纳米线阵列结构结晶性的影响。结果表明,随着退火温度升高,纳米线阵列结构的结晶性变好,所制备的纳米线阵列结构晶相为金红石型结构,直径约为100 nm,光吸收的吸收带边在400 nm左右。通过三电极体电化学工作站研究了纳米线阵列结构的PEC性能,结果表明,经450℃退火30 min后制备的TiO2纳米线阵列结构具有最好的PEC性能,其光电流密度达到0.59 mA/cm2。(2)用Cd(NO3)2·6H2O和Na2S·9H2O作为镉源和硫源,采用连续离子层吸附(SILAR)方法,制备了 CdS纳米粒子敏化的TiO2(TiO2/CdS)纳米线阵列结构。研究了 SILAR的循环次数对TiO2/CdS纳米线阵列结构的光吸收和PEC性能的影响。结果表明,TiO2/CdS纳米线阵列结构对可见光的吸收有明显的提升,吸收范围扩大至550 nm。此外,通过电化学工作站研究了纳米线阵列结构的PEC性能。结果表明,在0V的偏置电压下,SILAR循环次数为12次时所制备的TiO2/12CdS纳米线阵列结构光电阳极的光电流密度最大,为5.3mA/cm2,是TiO2纳米线阵列结构光阳极的9倍。利用电化学阻抗(EIS))研究纳米线阵列结构的电荷转移和分离性能。研究表明,TiO2/12CdS异质结纳米线阵列结构的显著增强的光电化学性能来源于其光生电荷的有效转移和分离。(3)以Cu2SO4为铜源,通过化学浴沉积法在TiO2/12CdS纳米线阵列结构上生长Cu2O纳米粒子,成功构建出TiO2/12CdS/Cu2O异质结纳米线阵列结构。研究了所制备纳米线阵列结构的光吸收性能。结果表明,所制备的异质结纳米线阵列结构从紫外到650 nm的波长范围内具有显著的光吸收能力。通过电化学工作站研究了纳米线阵列结构的PEC性能。结果表明,TiO2/12CdS/Cu2O异质结纳米线阵列结构的光电流密度为6.4 mA/cm2,是TiO2/12CdS异质结纳米线阵列结构光电流密度的1.2倍和TiO2纳米线阵列结构光电流密度的10.5倍。此外,在0.30 V vs.RHE下,TiO2/12CdS/Cu2O纳米线阵列结构光电极的太阳能-氢能(STH)转换效率最高可以达到4.3%,在入射光为390 nm时,其最高光电转换效率IPCE可以高达32.3%。PEC产H2研究表明,TiO2/12CdS/Cu2O纳米线阵列结构光电极的产H2速率可达214.3 μmol h-1cm-2,分别是 TiO2 纳米线阵列结构光电极(26.04 μmol h-1 cm-2)和TiO2/12CdS纳米线阵列结构光电极(120.8 μmol h-1 cm-2)产氢速率的8.1和1.8倍。通过电化学交流阻抗谱(EIS)和光致发光(PL)测试和分析,探讨了 TiO2/12CdS/Cu2O异质结纳米线阵列结构光生载流子的转移和分离过程。同时,通过瞬态开路电压衰减(OCVD)测试发现,TiO2/12CdS/Cu2O纳米线阵列结构光阳极的平均载流子寿命与TiO2和TiO2/12CdS纳米线阵列结构光阳极相比大大延长。结果表明,TiO2/12CdS/Cu2O纳米线阵列结构的显著PEC分解水性能主要来源于如下贡献:(Ⅰ)窄带隙半导体Cu2O和CdS的敏化使光电极在可见光范围的光吸收能力大大增加;(Ⅱ)p-n结和阶梯状的Type Ⅱ型能带排列共同作用使得的空间电荷高效转移和分离。