Si-TiO2納米結(jié)構(gòu)制備及其光解水制氫應(yīng)用研究.pdf

1、隨著能源與環(huán)境問題日益突出，光解水制氫技術(shù)受到了廣泛關(guān)注。由于具有成本低廉、化學(xué)穩(wěn)定性好、無毒等優(yōu)點(diǎn)，TiO2被認(rèn)為是一種非常有前景的光電極材料，然而光吸收率和電子遷移率低等問題依然嚴(yán)重限制著TiO2的進(jìn)一步應(yīng)用。本文在實(shí)現(xiàn) Si納米線陣列可控制備的基礎(chǔ)上，結(jié)合 TiO2納米棒性能調(diào)控方式，系統(tǒng)研究了Si/TiO2納米異質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備與性能調(diào)控，以及他們在光解水制氫中的應(yīng)用，主要工作包括：
　　一、研究金屬輔助化學(xué)刻蝕工藝，揭示

2、了刻蝕反應(yīng)機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了硅納米線陣列的可控制備。以硅片表面自組裝形成的單層納米球陣列作為刻蝕掩膜，以等離子體刻蝕控制納米球直徑，進(jìn)而通過金屬輔助化學(xué)刻蝕，實(shí)現(xiàn)了硅納米線陣列的可控制備，所得硅納米線具有垂直度高、側(cè)壁光滑等特點(diǎn)，深寬比超過80:1，并利用兩步刻蝕實(shí)現(xiàn)了雙層硅納米線制備。進(jìn)一步引入納米壓印，以壓印膠圖形作為刻蝕掩膜，利用Bosch工藝實(shí)現(xiàn)深硅刻蝕，制備得到了大面積(2.5cm×2.5cm)的硅納米線陣列。
　　二、研究了

3、TiO2納米棒的制備與摻錫、氫化及IrO2納米顆粒修飾：（1）針對TiO2電子遷移率低的問題，在反應(yīng)溶液中加入SnCl4實(shí)現(xiàn)了TiO2納米棒的Sn摻雜處理，并研究揭示了Sn摻雜對TiO2納米棒晶體結(jié)構(gòu)及性能的影響。Sn摻雜顯著提高了TiO2納米棒載流子濃度，當(dāng)摻雜濃度約1％時(shí)光電流提高50%；（2）研究采用氫氣退火處理實(shí)現(xiàn)了TiO2納米棒光學(xué)及電學(xué)特性的改善，揭示了其作用機(jī)理。氫氣退火處理會(huì)在納米棒表層引入大量氧空位，極大提高了納米棒光

4、吸收率和導(dǎo)電性，實(shí)現(xiàn)了納米棒光催化活性的顯著增強(qiáng)；（3）提出了一種IrO2納米顆粒修飾的CdSe/CdS量子點(diǎn)共敏化TiO2納米棒光陽極結(jié)構(gòu)。研究表明IrO2納米顆粒能顯著降低起始和飽和電壓，提高光電流，實(shí)現(xiàn)光催化活性大幅提升，并快速轉(zhuǎn)移量子點(diǎn)中的光生空穴，抑制光腐蝕現(xiàn)象，極大提高了光電極的穩(wěn)定性。
　　三、面向光解水制氫的Si/TiO2納米結(jié)構(gòu)集成與應(yīng)用研究：（1）利用水熱法制備了Si/TiO2納米異質(zhì)集成結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行氫氣退火處

5、理，得到氫化Si/TiO2納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)光陽極，測試表明該電極具有非常好的光催化活性，在長達(dá)5小時(shí)連續(xù)測量中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性；（2）提出并制備了一種 Ni薄膜修飾的Si/TiO2納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)光陽極，實(shí)驗(yàn)表明Ni修飾能極大提高電極的飽和光電流；（3）提出并制備了一種面向光解水制氫的TiO2光陽極與鈣鈦礦太陽能電池集成器件，獨(dú)立實(shí)現(xiàn)了光解水制氫，無需外加任何偏壓；（4）探索了TiO2光解水制氫與NiO贗電容的功能集成，實(shí)現(xiàn)了光能轉(zhuǎn)換與儲存的