碳化硅納米線柔性復(fù)合薄膜的制備及光電催化分解水性能研究.pdf

1、閃鋅礦結(jié)構(gòu)碳化硅(3C-SiC)具有合適的禁帶寬度(2.4 eV)、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、高的載流子遷移率及環(huán)境友好等特點(diǎn)，在光催化領(lǐng)域擁有潛在的應(yīng)用前景。為了提高碳化硅光催化分解水制氫的轉(zhuǎn)化效率，科研工作者采用了貴金屬負(fù)載、納米碳材料修飾、設(shè)計(jì)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)及組建異質(zhì)結(jié)等多種方法?；诰?3,4-乙撐二氧噻吩)/聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT/PSS)具有良好的空穴傳導(dǎo)能力以及石墨相氮化碳(g-C3N4)具有快速電子轉(zhuǎn)移、合適的能帶位置、低成本

2、、高的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，本論文設(shè)計(jì)合成了PEDOT/PSS或g-C3N4改性的碳化硅納米線柔性復(fù)合薄膜，并考察了其光電催化分解水制氫性能。
　　采用溶膠凝膠/碳熱還原法制備超長(zhǎng)3C-SiC納米線，并設(shè)計(jì)合成了SiC-PEDOT/PSS納米線柔性復(fù)合薄膜和SiC/g-C3N4納米線柔性復(fù)合薄膜。利用X射線衍射儀(XRD)、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)、透射電鏡(TEM)、X射線光電子能譜(XPS)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、紫

3、外-可見(jiàn)吸收光譜(Uv-vis)以及熒光光譜(PL)等手段研究了復(fù)合薄膜的形貌、結(jié)構(gòu)、成分及光學(xué)性質(zhì)等特征；分析了復(fù)合薄膜的光電化學(xué)性能和光催化制氫性能；探討了碳化硅納米線柔性復(fù)合薄膜的光生電子-空穴對(duì)分解水制氫機(jī)理。主要結(jié)論如下：
　　以SiC納米線和PEDOT/PSS為原料，利用共混法和真空抽濾法制備了網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)SiC-PEDOT/PSS納米線柔性復(fù)合薄膜。研究了SiC-PEDOT/PSS復(fù)合薄膜的光電化學(xué)性能和光解水制氫性

4、能。結(jié)果表明，當(dāng)偏置電壓為0.6 V(vs. Ag/AgCl)、PEDOT/PSS含量為4.5 wt％時(shí)，復(fù)合電極光照下的電流密度達(dá)到最大0.53 mA/cm2，高于純SiC納米線電極光照下的電流密度(0.12 mA/cm2)；SiC-PEDOT/PSS復(fù)合電極具有良好的光響應(yīng)能力，并且經(jīng)過(guò)4000 s光電化學(xué)測(cè)試后依然保持穩(wěn)定的電流密度；光電轉(zhuǎn)換效率(incident photon to current conversion effi

5、ciency,IPCE)測(cè)試顯示該復(fù)合電極具有比純SiC電極更高的光電轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)PEDOT/PSS含量為4.5 wt%時(shí)，納米線復(fù)合薄膜的產(chǎn)氫速率達(dá)到100.7μmol g-1 h-1，是純SiC納米線制氫速率的1.5倍，而且經(jīng)過(guò)15 h循環(huán)制氫反應(yīng)后的產(chǎn)氫量沒(méi)有明顯的減小。由于PEDOT/PSS是良好的空穴導(dǎo)體，因此當(dāng)復(fù)合光催化劑受光輻射激發(fā)產(chǎn)生光生電荷時(shí)，光生空穴就會(huì)從SiC價(jià)帶不斷地向PEDOT/PSS遷移，從而促進(jìn)了光生載流子

6、的有效分離，進(jìn)而提高了催化劑的光催化活性。
　　以SiC納米線和三聚氰胺為原料，利用高溫裂解法和真空抽濾法制備了核殼結(jié)構(gòu)SiC/g-C3N4納米線柔性復(fù)合薄膜。研究了SiC/g-C3N4復(fù)合薄膜的光電化學(xué)性能和光解水制氫性能。結(jié)果表明，當(dāng)偏置電壓為0.6 V(vs. Ag/AgCl)、g-C3N4含量為3 wt%時(shí)，復(fù)合電極光照下的電流密度達(dá)到最大0.62 mA/cm2，高于純SiC納米線電極光照下的電流密度(0.12 mA/cm

7、2)；SiC/g-C3N4復(fù)合電極具有良好的光響應(yīng)能力，且經(jīng)過(guò)4000 s光電化學(xué)測(cè)試后依然保持良好的穩(wěn)定性；IPCE測(cè)試表明該復(fù)合電極具有比純SiC電極更高的光電轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)g-C3N4含量為3 wt%時(shí)，納米線復(fù)合薄膜的產(chǎn)氫速率達(dá)到175.3μmol g-1 h-1，是純SiC納米線制氫速率的2.6倍，而且經(jīng)過(guò)15 h循環(huán)制氫反應(yīng)后的產(chǎn)氫量沒(méi)有明顯的減小。由于g-C3N4的最低未占分子軌道(lowest unoccupied mol