氧化物納米棒陣列的合成、修飾及光電化學(xué)性能研究.pdf

1、光電化學(xué)電池是一種同時(shí)利用光能和電能把太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化成化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)的光電化學(xué)器件。利用太陽(yáng)能發(fā)電的太陽(yáng)能電池是解決當(dāng)前環(huán)境和能源問(wèn)題的重要方法之一。光電化學(xué)電池中光陰極的研究與太陽(yáng)能電池的光陰極類(lèi)似，并且效率已經(jīng)很高，目前限制光電化學(xué)電池效率的主要因素在于光陽(yáng)極的效率還比較低。因此，提高光陽(yáng)極的效率對(duì)于提高整個(gè)光電化學(xué)電池的效率是非常關(guān)鍵的。本文合成了Au納米顆粒修飾的TiO2、ZnO/ZnS核殼納米棒陣列以及 ZnO多級(jí)微球，通過(guò)等離子

2、金屬的表面等離子共振效應(yīng)提高光陽(yáng)極對(duì)入射光的吸收、提高光生電荷的傳輸效率，抑制光生電荷復(fù)合；通過(guò)異質(zhì)結(jié)光陽(yáng)極中兩種半導(dǎo)體的協(xié)同作用提高對(duì)入射光的吸收、提高光生電荷的分離效率。本論文主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)論如下：
　?。?）Au納米顆粒修飾TiO2納米棒陣列可以提高光電化學(xué)活性。利用FTO作為導(dǎo)電基底，預(yù)先在FTO基底上生長(zhǎng)TiO2納米晶作為晶種，然后在裝有Ti前驅(qū)物的水熱反應(yīng)釜中反應(yīng)制備TiO2納米棒陣列。利用原位光還原的方法在TiO2

3、納米棒陣列表面生長(zhǎng)Au納米顆粒，通過(guò)改變輻照時(shí)間改變Au納米顆粒的負(fù)載量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:輻照時(shí)間是10 min時(shí)得到的Au/TiO2光陽(yáng)極的性能最好，光電流密度與TiO2光陽(yáng)極相比提高了近1倍。通過(guò)電化學(xué)阻抗、莫特-肖特基曲線(xiàn)結(jié)果分析表明：Au納米顆粒的表面等離子共振效應(yīng)有利于提高光陽(yáng)極對(duì)于入射光的吸收、提高光生電荷的傳輸效率以及提高載流子密度。
　?。?）ZnO/ZnS異質(zhì)結(jié)與ZnO納米棒陣列相比表現(xiàn)出更好的光電化學(xué)活性。利用水

4、熱法在FTO基底上生長(zhǎng)ZnO納米棒陣列，ZnO納米棒具有典型的六方結(jié)構(gòu)，并且具有光滑表面。ZnO納米棒陣列與硫代乙酰胺反應(yīng)之后表面變得粗糙，X射線(xiàn)衍射分析ZnO與硫代乙酰胺反應(yīng)之后出現(xiàn)ZnS的衍射峰，說(shuō)明形成了ZnO/ZnS核殼結(jié)構(gòu)。線(xiàn)性?huà)呙璺睬€(xiàn)表明：ZnO/ZnS異質(zhì)結(jié)的光電化學(xué)活性?xún)?yōu)于 ZnO的光電化學(xué)活性。電化學(xué)阻抗和莫特-肖特基曲線(xiàn)測(cè)試表明：形成異質(zhì)結(jié)以后有利于光生電荷的傳輸，并且提高了載流子密度。
　?。?）利用硝酸

5、鋅溶液作為前驅(qū)物，通過(guò)簡(jiǎn)單的水溶液方法，在室溫下制備了 ZnO多級(jí)結(jié)構(gòu)。不同時(shí)間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：ZnO多級(jí)結(jié)構(gòu)的形成源于奧斯特瓦爾德熟化反應(yīng)。ZnO多級(jí)結(jié)構(gòu)用作染料敏化太陽(yáng)能電池的光陽(yáng)極，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到2.36％，高于商業(yè)ZnO基染料敏化太陽(yáng)能電池1.39%的轉(zhuǎn)換率。通過(guò)研究光陽(yáng)極的光學(xué)及電化學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)：ZnO多級(jí)結(jié)構(gòu)具有較高的轉(zhuǎn)換效率主要源于多級(jí)結(jié)構(gòu)能夠增加染料的吸附能力，微米尺寸的結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)散射效應(yīng)。而且，ZnO多級(jí)結(jié)構(gòu)的結(jié)晶度好