原位構筑TiO2-Si異質結構及其光陽極性能研究.pdf

1、為解決全球能源危機及環(huán)境惡化的問題，人們一直研究如何有效地將太陽能轉化為清潔的、方便儲存和運輸的可再生化學能。通過光電化學反應，將溫室氣體CO2還原成碳氫化合物及光解水制氫，均可緩解日益嚴峻的能源形勢，同時也有可能從根本上解決能源危機、消除能源利用造成的環(huán)境污染。還原CO2及光解水產氫所需的電子來源于光陽極反應：H2O氧化制O2。與陰極材料相比，陽極材料除了低成本、高性能、穩(wěn)定之外，還要具備高的氧化活性，因此，陽極材料比陰極材料更難制備

2、。半導體Si是極富潛力的光解水電極材料，近年來由于在保護層的研究方面取得突破，使其再次受到廣泛關注。但界面缺陷導致的載流子復合及絕緣層SiO2存在導致的量子隧穿問題，嚴重影響Si電極效率。
　　本研究主要內容包括：⑴通過半導體單晶硅和二氧化鈦的晶格與晶型匹配，利用層狀自組裝及水熱合成的方式，在單晶硅的表面生長銳鈦礦TiO2。經過對樣品掃描電鏡（SEM）、高分辨透射（HRTEM）和X射線能譜（EDS）的分析發(fā)現銳鈦礦TiO2很好的沿

3、著單晶硅的（001）表面定向生長。通過對表面進行X射線光電子能譜分析（XPS），在經過處理過的硅片表面有Si-Ti鍵的形成，說明TiO2取代了Si表面的SiO2。經過對稱性分析，發(fā)現在硅（001）晶面生長的為銳鈦礦TiO2的（004）晶面。另外，研究了晶格與晶型不匹配的Rutile-TiO2在單晶硅表面進行異質界面生長，探究了硅基底四氯化鈦處理次數，水熱時間，鈦酸四丁酯用量等條件下對生長情況的。結果顯示金紅石TiO2無法在單晶硅表面進行

4、異質界面生長，并且易于剝離。同時我們研究了二氧化鈦在不同基底表面的轉晶溫度，探索了二氧化鈦薄膜和不同基底間應力對二氧化鈦相轉變的影響作用，研究表明二氧化鈦與基底表面的應力作用越大，轉晶需要的能量越大，轉晶的溫度越高。⑵采用自組裝以及水熱生長的方式制備了TiO2/Si光陽極材料，并且通過熱蒸鍍的方式在TiO2表面蒸鍍一層催化劑鎳。并且采用X射線衍射（XRD）、XPS、原子力顯微鏡（AFM）、SEM對其表面晶體及形貌進行表征，采用光電化學測

5、試手段對電極進行電化學性能表征。實驗結果表明我們在表面沉積的鎳主要以單質形態(tài)存在，同時還有少量的二價、三價鎳。在一個太陽光的照射下，Ni/TiO2/Si光陽極表現出了較好的載流子傳輸能力和較高的載流子注入和分離效率。Ni/TiO2/Si光陽極光電流密度在催化劑 Ni厚度為1nm時取得最大值31 mA/cm2，是Ni/TiO2/SiO2/Si光陽極的11倍。穩(wěn)定性的測試表明，該光陽極可以在1MKOH的溶液中穩(wěn)定工作24 h，說明該光陽極的