In2O3基納米復合材料的制備及其光電化學分解水性能研究.pdf

1、近些年，光電化學分解水（PEC）引起了研究者的廣泛關注，因為它能利用太陽能來分解水產(chǎn)生氫氣，使太陽能轉化成更為高效的氫能源。在PEC的組成系統(tǒng)中，光電極有著至關重要的作用，光電極的光學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，包括其合適的導帶和價帶位置用于分解水，以及良好的導電性和穩(wěn)定性使其在光電化學分解水

2、制氫中有著廣泛的應用。然而，由于In2O3（3.5 eV）是寬禁帶半導體氧化物，這就導致其對可見光的響應較差，從而限制其在光電化學中進一步的發(fā)展。因此，對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（Localized Surface Plasmon Resonance，LSPR）對半導體光電化學性質的顯著增強效果引起了國內外研究者們極

3、大的興趣。針對寬禁帶的半導體氧化物In2O3（3.5 eV）進行改性，主要從兩個方面進行。首先，通過熱處理的方式在In2O3納米立方體的導帶引入淺能級，有效地降低In2O3的導帶位置，從而達到降低其能帶結構的目的。其次，在熱處理的基礎上，通過電化學沉積的方法在In2O3納米立方體表面鍍上一層貴金屬Ag納米顆粒，形成In2O3/Ag二元異質結。由于貴金屬的LSPR效應的影響，In2O3納米立方體對可見光響應增強，并且Ag納米顆粒能夠有效地

4、增強電子的傳輸及電子-空穴對分離能力。最后實驗結果表明，通過上述兩個步驟合成的In2O3/Ag二元異質結光電化學分解水方面性能有明顯的增強。⑵將寬禁帶的In2O3與合適的窄禁帶結構的半導體耦合，形成交錯結構的II型異質結，這被認為是一種有效解決其可見光響應較差的問題的方式。這種II型異質結通常包含兩種半導體，一個寬禁帶（待修飾）半導體，一個窄禁帶半導體。這兩種半導體通過合適的方法使他們復合到一起，形成交錯的異質結構，形成后的異質結能帶得

5、到修飾，從而使其對可見光的吸收效果加強。此外，交錯結構的異質結還能有效地抑制光生電子-空穴的復合。然而，由于In2O3的導帶位置較負，使其與一種窄禁帶半導體復合形成交錯結構的異質結較困難。理論上，這個能帶匹配問題可以通過熱處理降低In2O3的導帶位置來解決，并且選取了能帶寬度和邊緣位置較為合適的In2S3復合對象，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性能。然而，想進一步提高In2O3/In2S3的光電化

6、學性能仍然面臨著挑戰(zhàn)。⑶在二元異質結In2O3/Ag和In2O3/In2S3的基礎上，我們將兩者結合設計出新穎的三元異質結電極。在我們的實驗工作中首次報道了通過一種簡便有效地電沉積方法制備了異質結構的In2O3/In2S3/Ag納米立方體，將淺施主能級、異質結形成和貴金屬沉積有效地結合在一起。實驗證明三元In2O3/In2S3/Ag異質結與一元In2O3及二元In2O3/In2S3納米立方體相比較有明顯的光電化學性能優(yōu)勢。明顯增強的三元

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