In2O3基納米復(fù)合材料的制備及其光電化學(xué)分解水性能研究.pdf

1、近些年，光電化學(xué)分解水（PEC）引起了研究者的廣泛關(guān)注，因?yàn)樗芾锰柲軄矸纸馑a(chǎn)生氫氣，使太陽能轉(zhuǎn)化成更為高效的氫能源。在PEC的組成系統(tǒng)中，光電極有著至關(guān)重要的作用，光電極的光學(xué)特性和載流子的傳輸、分離能力決定了系統(tǒng)的表現(xiàn)。光電化學(xué)分解水制氫氣，在使用過渡族金屬氧化物作為光陽極材料方面引起了廣泛的興趣。在過渡金屬氧化物中，In2O3由于其優(yōu)異的性能，包括其合適的導(dǎo)帶和價(jià)帶位置用于分解水，以及良好的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性使其在光電化學(xué)分解水

2、制氫中有著廣泛的應(yīng)用。然而，由于In2O3（3.5 eV）是寬禁帶半導(dǎo)體氧化物，這就導(dǎo)致其對(duì)可見光的響應(yīng)較差，從而限制其在光電化學(xué)中進(jìn)一步的發(fā)展。因此，對(duì)In2O3納米材料的修飾使其具有高效的可見光吸收特性是非常重要的。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴近些年，貴金屬納米晶的局域表面等離子體共振效應(yīng)（Localized Surface Plasmon Resonance，LSPR）對(duì)半導(dǎo)體光電化學(xué)性質(zhì)的顯著增強(qiáng)效果引起了國(guó)內(nèi)外研究者們極

3、大的興趣。針對(duì)寬禁帶的半導(dǎo)體氧化物In2O3（3.5 eV）進(jìn)行改性，主要從兩個(gè)方面進(jìn)行。首先，通過熱處理的方式在In2O3納米立方體的導(dǎo)帶引入淺能級(jí)，有效地降低In2O3的導(dǎo)帶位置，從而達(dá)到降低其能帶結(jié)構(gòu)的目的。其次，在熱處理的基礎(chǔ)上，通過電化學(xué)沉積的方法在In2O3納米立方體表面鍍上一層貴金屬Ag納米顆粒，形成In2O3/Ag二元異質(zhì)結(jié)。由于貴金屬的LSPR效應(yīng)的影響，In2O3納米立方體對(duì)可見光響應(yīng)增強(qiáng)，并且Ag納米顆粒能夠有效地

4、增強(qiáng)電子的傳輸及電子-空穴對(duì)分離能力。最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過上述兩個(gè)步驟合成的In2O3/Ag二元異質(zhì)結(jié)光電化學(xué)分解水方面性能有明顯的增強(qiáng)。⑵將寬禁帶的In2O3與合適的窄禁帶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體耦合，形成交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的II型異質(zhì)結(jié)，這被認(rèn)為是一種有效解決其可見光響應(yīng)較差的問題的方式。這種II型異質(zhì)結(jié)通常包含兩種半導(dǎo)體，一個(gè)寬禁帶（待修飾）半導(dǎo)體，一個(gè)窄禁帶半導(dǎo)體。這兩種半導(dǎo)體通過合適的方法使他們復(fù)合到一起，形成交錯(cuò)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，形成后的異質(zhì)結(jié)能帶得

5、到修飾，從而使其對(duì)可見光的吸收效果加強(qiáng)。此外，交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)還能有效地抑制光生電子-空穴的復(fù)合。然而，由于In2O3的導(dǎo)帶位置較負(fù)，使其與一種窄禁帶半導(dǎo)體復(fù)合形成交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)較困難。理論上，這個(gè)能帶匹配問題可以通過熱處理降低In2O3的導(dǎo)帶位置來解決，并且選取了能帶寬度和邊緣位置較為合適的In2S3復(fù)合對(duì)象，采用這種策略，我們制備了In2O3/In2S3納米立方體來提高光電化學(xué)性能。然而，想進(jìn)一步提高In2O3/In2S3的光電化

6、學(xué)性能仍然面臨著挑戰(zhàn)。⑶在二元異質(zhì)結(jié)In2O3/Ag和In2O3/In2S3的基礎(chǔ)上，我們將兩者結(jié)合設(shè)計(jì)出新穎的三元異質(zhì)結(jié)電極。在我們的實(shí)驗(yàn)工作中首次報(bào)道了通過一種簡(jiǎn)便有效地電沉積方法制備了異質(zhì)結(jié)構(gòu)的In2O3/In2S3/Ag納米立方體，將淺施主能級(jí)、異質(zhì)結(jié)形成和貴金屬沉積有效地結(jié)合在一起。實(shí)驗(yàn)證明三元In2O3/In2S3/Ag異質(zhì)結(jié)與一元In2O3及二元In2O3/In2S3納米立方體相比較有明顯的光電化學(xué)性能優(yōu)勢(shì)。明顯增強(qiáng)的三元

7、In2O3/In2S3/Ag異質(zhì)結(jié)光電化學(xué)性能是II型異質(zhì)結(jié)與貴金屬Ag納米顆粒協(xié)同作用的結(jié)果，有效地增強(qiáng)了可見光吸收和促進(jìn)載流子的分離。⑷在對(duì)PEC光電極修飾方面的一個(gè)重要思路是將兩種或兩種以上的半導(dǎo)體結(jié)合形成復(fù)合材料，發(fā)揮組分間的協(xié)同效應(yīng)，彌補(bǔ)各自的不足，促進(jìn)光生載流子的分離、拓展材料的光譜響應(yīng)范圍和提高光穩(wěn)定性。針對(duì)In2O3納米材料的寬帶隙以致其對(duì)可見光的響應(yīng)較差，二元體系In2O3/In2S3還有改進(jìn)提高的空間，CuInS2本