基于钙钛矿型氧化物铁酸镧光电阴极的制备及其光电化学性能研究

【摘要】：光电化学分解水可进一步实现太阳能到氢能的转化,是太阳能转换存储的理想途径之一。半导体可以同时作为光吸收器和能量转换器,是太阳能转化的关键。本论文选择了ABO_3钙钛矿型氧化物铁酸镧为研究对象,铁酸镧的带隙值为2.07eV,在分解水领域引起了人们的关注。而且,铁酸镧无毒且不含铜,避免了光腐蚀的发生,这有助于在没有表面保护的情况下保持其结构稳定性。然而,目前铁酸镧基光电极的太阳能转化效率与其理论值仍有较大差距。铁酸镧基光电极的光生电子和空穴在其体相和表面复合,电极表面缓慢的反应动力学是限制其性能的主要因素。另一方面,铁酸镧在可见光区域只少量入射光的光谱,这明显限制了其应用。我们通过引入金缓冲层,Ni-B表面修饰等方法来改变其光吸收利用率,体、表面载流子输运性质和反应动力学。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱分析(XPS)、X射线衍射(XRD)、室温紫外可见吸收光谱(UV-Vis)和电化学工作站等手段对制备样品的形貌、物相及光电化学性能进行测试,同时通过实验和理论计算研究了光电化学性能改变的机理。具体内容归纳如下:1.我们采用磁控溅射法沉积了金缓冲层,随即采用溶胶凝胶法旋涂适当厚度的铁酸镧薄膜,改进的FTO/Au/LaFeO_3复合光电极在0.6 V vs RHE电压下,光电流密度由-4.82μA cm~(-2)提高到-19.60μA cm~(-2),是原始铁酸镧电极的4.1倍。通过系统的实验和理论研究,发现Au缓冲层在改善光吸收、促进光生电子和空穴的分离以及降低PEC系统的电阻方面都起着重要作用。2.不良的表面电荷转移和缓慢的反应动力学限制了铁酸镧的光催化性能。此外,通过溶胶-凝胶法合成的铁酸镧通常有较低的表面积,因此析氢反应活性有限。为了提高光电化学性能,助催化剂嫁接可能是一种合适的策略。我们报告了不同沉积周期的LaFeO_3/Ni-B光电阴极的设计和制造。性能最佳的LaFeO_3/Ni-B(3 s)在光电流方面有显著提高,从-5.87μA cm~(-2)到-21.91μA cm~(-2),在0.6 V vs RHE电压下增强了373%。实验表明,Ni-B助催化剂在增强电化学活性表面积和电催化性能,降低PEC系统的电阻以及对能带进行适当控制方面起着重要作用。