掺杂钛酸锶基半导体电极光电化学性能研究

摘要

新世纪人类面临环境和能源的巨大挑战，迫切需要发展新的清洁能源，而氢能由于高能量和无污染等优点备受关注。实现太阳能产氢的关键是开发高性能光催化材料，本文采用掺Fe-SrTiO3用作光电化学分解水的电极材料，研究其开路电压、极化曲线（极化电流与极化电势关系）、有光和无光光照电流-时间(i-t)曲线和循环伏安曲线特性。
　　采用高能球磨技术制备了钙钛矿型纳米掺铁钛酸锶(SrTi1-xFexO3-δ，x:0-1)光催化剂系列材料，XRD及TEM微观形貌分析表明样品的晶粒尺寸在30纳米以下;样品的DTA/TGA测试结果表明合成材料在25-900℃间具有良好的热稳定性。使用厚膜工艺在ITO基底上制备了SrFexTi1-xO3-δ系列光电极。对于SrFexTi1-xO3-δ系列光电极的电化学性能表征结果如下:
　　(1)开路电压表明了电极与电解液之间的势（未接外电路也未光照的初始状态下）。开路电压最大是0.18V，相应材料是SrFe0.4Ti0.6O3-δ，开路电压最小是0.155V，相应材料是TiO2。开路电压处于中间值的材料性能突出。
　　(2)极化曲线体现了光电极与电解液之间过电位的高低，光解水反应目的是电极相对稳定，极化电位相对小。极化电位实验结果由小到大排序为SrFexTi1-xO3-δ(x:0＜0.8＜0.7＜0.2＜0.9＜0.6＜0.5＜0.1＜0.3＜1＜0.4)。
　　(3)有光和无光光照电流-时间(i-t)曲线差异表征了光生载流子产生外电路的电流大小，表征有效光生电子空穴的量子效率的高低。光生电流结果由大到小排序为SrFexTi1-xO3-δ(x:0＞0.6＞0.7＞0.9＞0.8＞0.5＞0.2＞0.3＞1＞0.1＞0.4)。
　　(4)循环伏安法表征了材料的氧化还原能力，表明氢发生还原反应所需的电位及产生的电流。SrFexTi1-xO3-δ系列材料的峰电位在0.01-0.165V之间，电流在0.003-0.008A之间。TiO2的峰电位是-0.751V，峰值电流为0.002A。因此，SrFexTi1-xO3-δ系列材料的峰电位绝对值明显小于TiO2，峰值电流明显大于TiO2，即SrFexTi1-xO3-δ系列材料的氧化还原能力强于TiO2。
　　综上，循环伏安法可以说明SrFexTi1-xO3-δ系列材料性能优于TiO2。通过开路电压、极化曲线和有光和无光光照电流-时间(i-t)曲线，可以进一步得到SrFexTi1-xO3-δ(x=0)的综合性能比较突出。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 光催化简介

1．2．1 光催化原理

1．2．2 光解水简介

1．3 论文研究目的和内容

第二章 光电化学原理及文献综述

2．1 半导体能带模型

2．2 半导体／电解液的界面结构

2．3 光电化学反应基本原理

2．4 光解水材料综述及工艺

2．4．1 太阳能光解水材料分类

2．4．2 钛酸锶材料的合成工艺

2．5 材料表征

2．5．1 材料微观分析

2．5．2 材料热稳定性分析

2．6 测试技术及原理

2．6．1 测试体系

2．6．2 开路电压原理

2．6．3 极化曲线原理

2．6．4 无光和光照i-t曲线原理

2．6．5 循环伏安法原理

2．7 本章小结

第三章 实验方案

3．1 主要原料和仪器

3．2 钛酸锶系列材料的合成及表征

3．2．1 材料合成

3．2．2 材料表征

3．3 光电极的制备

3．3．1 厚膜工艺简介

3．3．2 具体实验流程

3．4 光电极性能测试

3．4．1 测试体系

3．4．2 开路电压测试

3．4．3 极化曲线测试

3．4．4 无光和光照i-t曲线测试

3．4．5 循环伏安曲线测试

3．5 本章小结

第四章 结果与讨论

4．1 材料表征

4．1．1 X射线衍射分析

4．1．2 TEM透射电镜分析

4．1．3 差重与热重分析

4．2 电化学测试结果分析

4．2．1 开路电压

4．2．2 极化曲线

4．2．3 无光和光照i-t曲线

4．2．4 循环伏安曲线

4．3 小结

第五章 总结和展望

5．1 总结

5．2 展望

致谢

参考文献