納米半導體復合材料的設計、制備及其光電性能研究.pdf

1、解決日益增長的全球能源需求是21世紀人類將要面對的最大的挑戰(zhàn)。目前80％以上的能耗都是來自化石能源燃燒，這無疑會加速全球變暖并且對環(huán)境構(gòu)成嚴重威脅。石化能源屬于不可再生能源，在不久的將來就會枯竭。因此，尋找新型的清潔可再生能源迫在眉睫。在眾多新能源中，太陽能因其具有安全清潔、取之不盡用之不竭等優(yōu)點而備受青睞。光催化和光伏轉(zhuǎn)化是最重要的兩種直接利用太陽能的方式。與此同時，環(huán)境保護也是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路，水污染是當前社會的一個非常棘手

2、的問題。光催化過程能夠徹底降解水體中的有機物污染物，是一種處理有機廢水的有效方式。在眾多半導體光催化劑中，氧化鋅(ZnO)被認為是最有潛力的光催化劑之一，然而，ZnO僅響應紫外光，光生電子空穴復合機率高，并且ZnO本身穩(wěn)定性不高，這些缺點嚴重的制約了它在光催化領(lǐng)域的應用。在本工作中，我們設計并制備了三種高效的ZnO基復合半導體催化劑薄膜，它們兼具吸收可見光、高效的電子空穴分離效率以及化學穩(wěn)定性好三大優(yōu)勢，克服了ZnO本身的不足，具體的內(nèi)

3、容和結(jié)果在第3-5章中討論。此外，作為一種具有巨大潛力和廣闊前景的新型太陽能電池，量子點敏化太陽能電池(QDSC)的研究已經(jīng)處于飛速發(fā)展的階段。作為QDSC的核心部分，由納米半導體組成的光陽極會直接影響到電池的光吸收能力以及光生電子的傳輸性能，最終影響電池的光電轉(zhuǎn)化效率。傳統(tǒng)的TiO2納晶光陽極存在表面缺陷多和晶體界面屏障等問題，因而限制了光生電子的傳輸過程。在論文的第六章，我們介紹了TiO2/Au雜化光陽極薄膜，這種新型的光陽極薄膜不

4、僅具有更高的光吸收能力，還能夠使光生電子快速傳輸并注入到TiO2中，最終使效率顯著提升。
　　第一，通過水熱法和后續(xù)的濕化學過程成功的制備了TiO2包覆的ZnO∶I納米棒復合光催化劑。制備的一維的I摻雜ZnO納米棒外層包覆上致密的TiO2保護層，實驗結(jié)果表明，這種復合光催化劑兼具較強的光吸收能力，高效的電子空穴分離效率以及優(yōu)秀的化學穩(wěn)定性。光催化降解RhB實驗進一步證實催化劑的這些光化學和光電化學性能的顯著提高。更重要的是，TiO

5、2包覆提高了ZnO∶I納米棒薄膜的穩(wěn)定性，使其在酸性或堿性溶液中都能保持較好的光催化活性。此外，光催化循環(huán)降解實驗結(jié)果表明這種復合光催化劑可循環(huán)多次使用，是降解廢水中有機污染物的高效光催化劑。
　　第二，通過水熱法和隨后的濕化學過程合成了一種新型的復合光催化劑。首先制備了碘摻雜的ZnO薄膜，然后經(jīng)過TiO2后處理得到ZnO∶I@TiO2復合光催化劑。我們制備了一系列不同摻雜比的ZnO∶I薄膜，實驗結(jié)果表明，I的摻雜量為5.0 mo

6、l％性能達到最優(yōu)，最終對RhB的降解率為93.7％，，遠遠高于純氧化鋅（僅54.3％左右）。光吸收和光電化學表征進一步證實，經(jīng)過I的摻雜以及TiO2的修飾，薄膜的光吸收能力以及光生電荷分離效率都顯著增強。在這些優(yōu)勢的協(xié)同作用下，ZnO∶I@TiO2復合催化劑展現(xiàn)了極好的光催化活性，可見光下光催化降解RhB4 h后，去除率高達97％，比純的ZnO高了79％。并且ZnO∶I@TiO2在酸性或堿性條件下都表現(xiàn)了較ZnO∶I更好的催化活性。這些

7、結(jié)果表明，所制備的ZnO∶I@TiO2復合光催化劑可以作為光催化處理水體污染物的高效催化劑。
　　第三，報道了一種高效的ZMS/Au復合的可見光響應的光催化劑。創(chuàng)新性的采用層層自組裝過程在ZnO納米片微球薄膜上均勻的沉積納米金顆粒。隨著組裝次數(shù)的增加，ZnO薄膜上沉積的Au顆粒的量隨之增加，薄膜的光吸收能力也逐步增強。光電化學測試包括EIS和瞬態(tài)光電流響應光譜結(jié)果表明，相比于純的ZMS薄膜，ZMS/Au復合光催化劑的光生電子空穴分

8、離效率顯著增強。最終，復合催化劑在可見光照射下，對甲基藍和水楊酸都具有極好的光降解效果，并且對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌起到非常好的滅菌效果。值得注意的是，Au/ZnO雜化薄膜，即使金顆粒的量非常少僅為1.2％時，都具有顯著提高的光催化活性。這種簡單的可控的自組裝方法既可構(gòu)建具有較高性能的可見光驅(qū)動的ZnO/Au光催化劑，也可以擴展到其它半導體和貴金屬復合光催化劑的制備應用中，為這類復合材料在更多領(lǐng)域的廣泛應用提供了有力的技術(shù)支持。

9、>　　第四，以解決TiO2光電極薄膜本身吸收和電子傳輸問題為出發(fā)點，以提升TiO2基QDSSCs光電轉(zhuǎn)換效率為目的，創(chuàng)新性地設計制備了TiO2/Au復合光陽極薄膜，并通過簡單的自組裝過程將Au納米顆粒均勻的組裝到TiO2薄膜中。得到的TiO2/Au量子點敏化太陽能電池效率高達6.0％，相比純TiO2電池效率提高了50％。由于納米Au顆粒的等離子共振效應，使得光電極薄膜的光吸收和電子傳輸能力都顯著提高。值得注意的是，吸附在Au顆粒表面的量