二氧化钛、氧化锌纳米棒阵列制备、改性及其光电化学性能研究

摘要

本文利用常规简便水热法在导电玻璃(FTO)上利用外延生长出了二氧化钛和氧化锌纳米柱状阵列光电化学电极,并对其形貌,长径比进行了合成条件的探索和优化。在此基础上,考虑到二氧化钛和氧化锌均为宽禁带半导体(带宽均大于3 eV),只能吸收利用有限的紫外光,而太阳光光子的大部分能量集中在可见光光区,本文通过拓展光电极的光吸收性能以提高其光电化学性能。对于纳米柱状 TiO2我们研究了用葡萄糖浸渍后煅烧的方式对其进行碳掺杂改性的方法,虽然紫外可见吸收光谱(UV-vis)没有非常明显的红移,但是标准光强条件下测试光电极的光电流电压曲线(I-V)测试结果表明改性后的样品有明显的光电流的提高。X射线衍射(XRD)结果说明实验所得到的是金红石型二氧化钛,而且低浓度碳掺杂并不会改变二氧化钛的晶型。
　　扫描电镜(SEM)结果表明柱状TiO2成长方体形状,长度约1 m,宽度约100 nm左右;而对于纳米柱状ZnO的改性,本文通过简单水热法,以硫脲作为硫源,通过乙二胺与镉离子形成的络合离子作为控制ZnO表面的CdS取代和沉积作用的中间体,实现了对纳米柱状氧化锌阵列的形貌控和禁带宽度更小的硫化镉( Eg=2.42 eV)以及ZnxCd1-xS固溶体的沉积优化。从 UV-vis结果可以很好地看到随着 CdS和ZnxCd1-xS的成功沉积以及其沉积量的改变使得所得到的光电极的光吸收范围从380 nm左右扩展到了510 nm左右。通过SEM观察不同条件下的光电极可以看出,随着乙二胺与硝酸镉的比例不同,其形貌从单纯的柱状变为花状最终优化为球状的改变。通过X射线衍射(XRD)测定了所沉积CdS和ZnxCd1-xS过程中半导体光电极晶体性状的改变。通过三电极电化学工作站在标准光强下测试光电极的光电流电压曲线(I-V)测试其光电化学性能,很好地反映出其光电化学性能的提高。通过一系列反应参数的调控,得到了最佳反应条件。

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第1章 引言

1.1 概述

1.2 光电化学分解水制氢机理

1.3 复合半导体光电极光电化学分解水制氢原理及进展

1.4 本文的研究内容和意义

第2章 实验部分

2.1 主要试剂和仪器

2.2 实验过程

2.3 样品的表征

第3章 纳米柱状二氧化钛阵列薄膜制备和改性

3.1 不同温度退火对纳米柱状二氧化钛阵列晶体结构的影响

3.2 碳掺杂对纳米柱状二氧化钛阵列的影响

3.3 小结

第4章 纳米柱状氧化锌阵列薄膜制备和改性

4.1 水热反应中硝酸锌浓度对纳米柱状氧化锌阵列的影响

4.2 水热法硫化镉及ZnxCd1-xS敏化纳米柱状氧化锌阵列过程中乙二胺(en)与硝酸镉浓度比R对样品影响

4.3 水热反应中R=30:1条件下，水热反应时间对纳米柱状氧化锌阵列的影响

4.4 小结

第5章 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 进一步工作的方向

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果