三维ATO反蛋白石复合结构的制备及光电化学性能研究

摘要

能源危机和环境污染已经成为制约经济发展的两大严峻问题。光电化学池利用太阳能将水分解制备氢气是一种绿色环保的制氢方法。一些半导体材料，例如TiO2、Fe2O3、BiVO4都已经被用作光阳极材料用于光解水制氢。但这些半导体材料存在载流子扩散距离短、导电性差、光吸收率不高等问题，降低了其光电转化效率。基于此，本文制备了Sb掺杂SnO2的三维ATO反蛋白石结构，并将其作为导电骨架与Fe2O3、TiO2半导体材料复合，研究了这两种复合结构的光电化学性质，以及ATO反蛋白石骨架对于提升材料光电化学性能的作用与机理。主要研究内容如下:
　　(1)采用无皂乳液聚合法制备了不同粒径的聚苯乙烯微球（PS球），并通过垂直沉降法将PS球自组装成三维胶体晶体，再通过溶胶-凝胶法制备了三维ATO反蛋白石结构。结果表明制备的PS球粒径均一、分散性良好;组装的胶体晶体是有序的面心立方结构(fcc)，缺陷较少;三维ATO反蛋白石结构是一种大孔阵列结构。
　　(2)以三维ATO反蛋白石为模板，通过水热合成法成功制备了3D ATO/Fe2O3复合结构。探究了三维ATO模板中Sb掺杂量、PS球粒径大小、模板厚度对光电化学性质的影响。实验结果表明:①三维ATO在体系中起到的作用主要有两个，一是ATO作为导电骨架，有利于电子的快速传递，提高了光电转化效率;二是三维大孔结构有巨大的比表面积提供了更多的活性位点，同时提高了对光的利用率。②Sb掺杂量对复合结构的光电流性能有较大影响，当Sb掺杂量为25％时，3D ATO/Fe2O3复合结构在E vs.RHE为1.23V时光电流密度值达到1.04 mA/cm2。
　　(3)以三维ATO反蛋白石为模板，通过化学浴沉积法成功制备了3D ATO/TiO2复合结构，并探究了前驱体溶液浓度、反应时间对复合结构形貌及光电化学性质的影响。结果显示前驱体溶液浓度与反应时间会影响氧化钛纳米棒的形貌。当纳米棒长度合适时，复合结构的光电化学性质较好，其光电流密度值在E vs.RHE为1.23V时高达到0.78mA/cm2。

目录

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摘要

缩略语表

1．1 氢能经济

1．2 光解水制氢原理

1．3 半导体光解水制氢研究进展

1．4 半导体与导电材料复合改性

2 胶体晶体与反蛋白石

2．1 胶体晶体简介

2．2 三维胶体晶体的组装方法

2．3 反蛋白石结构的制备方法

2．4 反蛋白石结构在光电化学分解水中的应用

3 选题意义及课题主要内容

1 引言

2 实验材料和仪器

3 实验方法

3．1 PS球胶体晶体的制备

3．2 ATO薄膜的制备

3．3 产品表征

4 结果与讨论

4．1 PS球的表征

4．2 PS球胶体晶体的表征

4．3 三维ATO反蛋白石标准样品的表征

5 本章小结

第三章 3D ATO／Fe2O3复合结构的制备及光电化学性能研究

1 引言

2 实验材料和仪器

3 实验方法

3．2 参比样品的制备

3．3 产品表征

4 结果与讨论

4．2 3D ATO／Fe2O3复合结构标准样品的组成成分表征

4．3 ATO导电骨架对光电化学性能的影响

4．4 三维ATO中Sb掺杂量对光电化学性能的影响

4．5 三维ATO粒径大小对光电化学性能的影响

4．6 三维ATO模板厚度对光电化学性能的影响

4．7 3D ATO／Fe2O3复合结构光电化学机理分析

5 本章小结

第四章 3D ATO／TiO2复合结构的制备及光电化学性能研究

1 引言

2 实验材料和仪器

3 实验方法

3．1 3D ATO／TiO2复合结构的制备

3．2 产品表征

4 结果与讨论

4．1 3D ATO／TiO2复合结构标准样品的表征

4．2 反应时间对光电化学性能的影响

4．3 前驱体溶液浓度对光电化学性能的影响

5 本章小结

1 总结

2 展望

参考文献

硕士期间已发表论文

硕士期间拟发表论文

致谢