基于多孔光子晶體異質(zhì)結(jié)的光催化制氫研究.pdf

1、反蛋白石(Inverse Opals)結(jié)構(gòu)具有調(diào)制光子態(tài)密度的作用及大的比表面積而被用于本文的光催化研究中。
　　本文研究?jī)?nèi)容:(1)分別采用電化學(xué)沉積法和不同反應(yīng)前驅(qū)體氧源(H2O和O3)的原子層沉積(ALD)法制備了ZnO IOs，對(duì)比評(píng)價(jià)了這三種制備方法所得ZnO的結(jié)晶質(zhì)量及對(duì)ZnO IOs光催化性能的影響，并基于獲得最佳結(jié)晶質(zhì)量ZnO的O3作氧源的ALD制備方法，分別從不同制備條件（沉積溫度、厚度）、TiO2抗光腐蝕層厚度

2、和不同孔徑（光子晶體晶格常數(shù)）及ALD交替包覆TiO2和Al2O3對(duì)ZnO(O3) IOs進(jìn)行了光催化效率及穩(wěn)定性方面的優(yōu)化處理;(2)采用ALD方法制備了TiO2 IOs，并通過優(yōu)化氫化溫度(300℃-550℃)和氫化時(shí)間(2h-24h)，制備可見吸收強(qiáng)度最大的H-TiO2，用以實(shí)現(xiàn)可見光分解水制氫;(3)最后成功制備了基于不同光響應(yīng)的ZnO IOs雙疊層異質(zhì)結(jié)及TiO2/H-TiO2疊層異質(zhì)結(jié)，增強(qiáng)光吸收的同時(shí)降低載流子的復(fù)合幾率，

3、改善光解水性能。
　　結(jié)果表明:(1)SEM圖顯示三種不同的制備方法均能獲得三維長(zhǎng)程有序排列的ZnO IOs，光致發(fā)光光譜顯示ZnO(O3) IOs具有相對(duì)最強(qiáng)的本征發(fā)光峰，即結(jié)晶質(zhì)量最好，I-V曲線以及I-t曲線也表明ZnO(O3) IOs光電流值最高，達(dá)0.8287mA/cm2，光催化性能最好，而ZnO(H2O) IOs的結(jié)晶質(zhì)量最差，光電流最低，為0.2213 mA/cm2，光催化性能最差。ALD包覆TiO2前后的SEM、X

4、PS、EDS元素分析及UV-Vis反射光譜的對(duì)比分析均顯示銳鈦礦型TiO2被成功包覆;(2)ZnO(O3)IOs的沉積溫度在160℃-240℃范圍內(nèi)，結(jié)晶質(zhì)量隨著溫度的升高而提高，對(duì)應(yīng)的光電流在240℃時(shí)1.0050mA/cm2，比160℃時(shí)的0.7683 mA/cm2高出30.81％;沉積厚度在170-240圈范圍內(nèi)，吸收光譜吸收峰的位置隨著圈數(shù)的增加發(fā)生微小紅移，且吸收光量有所增加，但增強(qiáng)幅度隨著總?cè)?shù)增加而降低。200圈時(shí)的光電流

5、為0.8411 mA/cm2，約為170圈時(shí)光電流的兩倍，在增加30圈到230圈時(shí)，光電流只增加了10％左右。(3)比較在ZnO IOs上共形沉積10圈、30圈TiO2及5*(TiO2(5c)+Al2O3(1c))、5*(TiO2(5 c)+Al2O3(2c))前后光穩(wěn)定性的改善情況，光電流測(cè)試結(jié)果表明，光照20min后，光電流及相對(duì)于1min時(shí)的光電流衰減比率分別為0.191(65.41％)、0.413(52.58％)、0.573(2

6、9.80％)及0.697(10.06％)、0.689(9.43％),包覆后的光電流相比于包覆前有明顯提高，說明TiO2與ZnO形成的TiO2/ZnO同型異質(zhì)結(jié)提高了載流子的傳輸效率;光穩(wěn)定性隨著TiO2包覆厚度的增加而提高，適量Al2O3的摻入可以提高材料光穩(wěn)定性，稍微過量則由于其絕緣特性而影響材料的電導(dǎo)性。(4)155nm、197nm及238nm孔徑的ZnO IOs的反射光譜顯示其反射峰位即光子帶隙的位置分別問373.7nm、439.

7、4nm和495.0nm。由于光子晶體的慢光效應(yīng)和多光散射效應(yīng)，197nm時(shí)達(dá)到最大光電流0.9285mA·cm2;帶隙位置373.7nm正好部分覆蓋了用于光催化分解水制氫所在的本征光吸收范圍，155nm時(shí)的光電流最小，為0.4620 mA·cm2。(6)在550℃下氫化10h后，TiO2的禁帶寬度變窄，為2.1eV，且價(jià)帶頂藍(lán)移0.26eV，可見吸收最強(qiáng)，光催化性能最好，氫化TiO2反蛋白石的光電流達(dá)到了541μA/cm2。(7) SE