氧化鋅基光子晶體的界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及光電化學(xué)活性研究.pdf

1、光電化學(xué)水解產(chǎn)氫是決當(dāng)前能源與環(huán)境問題的理想技術(shù)之一，廣受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。一個(gè)完整的光電化學(xué)水解產(chǎn)氫過程包括以下三個(gè)步驟:光能捕獲、光生電荷產(chǎn)生與轉(zhuǎn)移、電極界面處的氧化還原反應(yīng)。反蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體一方面可以由于光子在其內(nèi)部發(fā)生的多重折射和衍射增強(qiáng)了基體對光子的捕獲，另一方面由于較短的載流子傳輸路徑，提升了光生電子和空穴的分離效率。因此，光子晶體是一種理想的光電化學(xué)水解產(chǎn)氫的納米結(jié)構(gòu)。ZnO由于環(huán)境友好、形貌可控、資源豐富，被認(rèn)為是合

2、適的光電化學(xué)水解產(chǎn)氫的半導(dǎo)體材料。但ZnO較寬的禁帶寬度(3.2 eV)，限制了其在光電化學(xué)水解產(chǎn)氫方面的進(jìn)一步應(yīng)用。本論文通過界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)控ZnO基光子晶體的光電化學(xué)活性，提高光子捕獲效率及載流子分離效率，具體研究結(jié)果有如下:
　　1.利用層層自組裝的方法制備了三維有序堆積的聚苯乙烯(PolystyreneSphere，PS)微球薄膜，以此為模板浸入氧化鋅前驅(qū)體溶液，通過高溫煅燒除去PS微球得到ZnO光子晶體。之后浸入鐵鹽的前

3、驅(qū)體溶液，利用高溫條件下的固相反應(yīng)原位合成三維多孔結(jié)構(gòu)ZnO/ZnFe2O4光子晶體。分析了不同浸入次數(shù)對光子晶體形貌和性質(zhì)的影響，探索了最佳性能參數(shù)。利用固相轉(zhuǎn)化反應(yīng)制備的復(fù)合光子晶體界面電阻較小，光生載流子的遷移速率快，ZnO和ZnFe2O4能帶結(jié)構(gòu)匹配，提高了光生電子與空穴的分離效率。復(fù)合光子晶體展示出優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換效率，在偏壓為0.38V無助催化劑存在的條件下高達(dá)0.81％幾乎是純的氧化鋅的6倍。制備的光電極光穩(wěn)定性很好，經(jīng)過十

4、個(gè)小時(shí)的持續(xù)光照光電流還保持了95.1％（在相同條件下衰減了89％）。展示出了良好的光電催化性能和優(yōu)異的穩(wěn)定性。通過DFT理論計(jì)算和電化學(xué)性能分析，很好的佐證了較快的載流子動(dòng)力學(xué)促進(jìn)了ZnO/ZnFe2O4反蛋白石結(jié)構(gòu)光電極性能的提升。
　　2.以ZnO光子晶體為前驅(qū)體，通過陰陽離子交換的方法原位制備了全光譜響應(yīng)的ZnO/CdSe復(fù)合光子晶體。這種三維多孔結(jié)構(gòu)的復(fù)合光子晶體對光子的捕獲從紫外區(qū)拓寬到了近紅外區(qū)，低的界面電阻提高了光