原位构筑TiO2/Si异质结构及其光阳极性能研究

摘要

为解决全球能源危机及环境恶化的问题，人们一直研究如何有效地将太阳能转化为清洁的、方便储存和运输的可再生化学能。通过光电化学反应，将温室气体CO2还原成碳氢化合物及光解水制氢，均可缓解日益严峻的能源形势，同时也有可能从根本上解决能源危机、消除能源利用造成的环境污染。还原CO2及光解水产氢所需的电子来源于光阳极反应：H2O氧化制O2。与阴极材料相比，阳极材料除了低成本、高性能、稳定之外，还要具备高的氧化活性，因此，阳极材料比阴极材料更难制备。半导体Si是极富潜力的光解水电极材料，近年来由于在保护层的研究方面取得突破，使其再次受到广泛关注。但界面缺陷导致的载流子复合及绝缘层SiO2存在导致的量子隧穿问题，严重影响Si电极效率。
　　本研究主要内容包括：⑴通过半导体单晶硅和二氧化钛的晶格与晶型匹配，利用层状自组装及水热合成的方式，在单晶硅的表面生长锐钛矿TiO2。经过对样品扫描电镜（SEM）、高分辨透射（HRTEM）和X射线能谱（EDS）的分析发现锐钛矿TiO2很好的沿着单晶硅的（001）表面定向生长。通过对表面进行X射线光电子能谱分析（XPS），在经过处理过的硅片表面有Si-Ti键的形成，说明TiO2取代了Si表面的SiO2。经过对称性分析，发现在硅（001）晶面生长的为锐钛矿TiO2的（004）晶面。另外，研究了晶格与晶型不匹配的Rutile-TiO2在单晶硅表面进行异质界面生长，探究了硅基底四氯化钛处理次数，水热时间，钛酸四丁酯用量等条件下对生长情况的。结果显示金红石TiO2无法在单晶硅表面进行异质界面生长，并且易于剥离。同时我们研究了二氧化钛在不同基底表面的转晶温度，探索了二氧化钛薄膜和不同基底间应力对二氧化钛相转变的影响作用，研究表明二氧化钛与基底表面的应力作用越大，转晶需要的能量越大，转晶的温度越高。⑵采用自组装以及水热生长的方式制备了TiO2/Si光阳极材料，并且通过热蒸镀的方式在TiO2表面蒸镀一层催化剂镍。并且采用X射线衍射（XRD）、XPS、原子力显微镜（AFM）、SEM对其表面晶体及形貌进行表征，采用光电化学测试手段对电极进行电化学性能表征。实验结果表明我们在表面沉积的镍主要以单质形态存在，同时还有少量的二价、三价镍。在一个太阳光的照射下，Ni/TiO2/Si光阳极表现出了较好的载流子传输能力和较高的载流子注入和分离效率。Ni/TiO2/Si光阳极光电流密度在催化剂 Ni厚度为1nm时取得最大值31 mA/cm2，是Ni/TiO2/SiO2/Si光阳极的11倍。稳定性的测试表明，该光阳极可以在1MKOH的溶液中稳定工作24 h，说明该光阳极的性质比较稳定，异质界面生长的薄膜质量较好，可以稳定的保护硅基底。

目录

声明

引言

1 文献综述

1.1 光电化学分解水原理

1.2 光电化学分解水体系

1.3 光解水阳极材料及其改性

1.4 硅基底光解水阳极材料

1.5 TiO2/Si光阳极材料

1.6 选题意义及研究内容

2.1 主要药品

2.2 仪器和设备

2.3 实验方案

2.4 测试和表征

3 硅基底诱导生长TiO2及其表征

3.1 Si基底诱导生长TiO2

3.2 TiO2/Si样品的表征与分析

3.3 本章小结

4 Ni/TiO2/Si光阳极的制备表征

4.1 Ni/TiO2/Si光阳极的制备

4.2 Ni/TiO2/Si光阳极的表征分析与讨论

4.3 本章小结

结论

创新点及展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢