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《西北师范大学》 2016年
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α-Fe_2O_3和g-C_3N_4的制备以及光电化学性能研究

李云雷  
【摘要】:在21世纪经济、文化和科技等快速发展的同时,能源的需求也是日益增加的,我们知道人类目前大量使用的三大化石燃料的贮存量是非常有限的,而且燃烧产物对环境会造成相当严重的污染,因此,能源短缺和环境污染这两大问题得到了全球性的关注。越来越多的国家早已经投入到探寻新型高效的绿色清洁能源的战略上来。人们发现氢能源非常符合人们所需能源的要求,既高效又环保。怎样才能最大限度且有效的获取人们所需的氢能源又是一个人们需要探索的新的问题。经过大量的研究发现,通过光解水制氢不仅可以获取氢能源,同时对环境也不会造成任何污染。人们发现通过利用半导体光催化剂进行太阳能光解水制氢是一种极其有效的方法,因此研究者们开始了探索更多具有高效光催化活性的半导体光催化剂材料,而α-Fe_2O_3和g-C_3N_4这两种半导体光催化剂因具有高的光催化性能,且其成本低廉而备受研究者们的广泛关注。在前人的工作基础上,本论文就如何进一步提高α-Fe_2O_3和g-C_3N_4的光催化性能做了研究。论文的第一部分主要介绍了关于能源方面的探究,人们为了研究制备新型的绿色清洁能源已做的研究工作。并且对太阳能光解水制氢技术的原理、装置以及电极材料做了一个详细的概述。为了更进一步提高α-Fe_2O_3薄膜光电化学性能,在本论文的第二部分中,介绍了如何通过使用Sn对电化学沉积法得到的α-Fe_2O_3薄膜进行掺杂,然后在不同高温下退火,最后再用Co(NO_3)2.6H2O对掺杂后的α-Fe_2O_3薄膜进行了修饰,使其获得最佳的光催化活性的实验过程。并描述了通过SEM、XRD、XPS、EIS等手段对所制备的样品薄膜进行的表征结果和通过检测样品薄膜的光电流响应来检测其光电化学性能的结果。实验表明,在AM 1.5 G 100 mW/cm2的可见光的照射下,优化的的样品在1.24V vs RHE时展现出了一个尽可能高的阳极光电流响应(为2.8 mA/cm2)以及在暗电流开始前光电流(为4.6 mA/cm2),这相当于总的光电转换效率的0.24%。样品较好的光响应主要是因为导电性、电荷转移和水氧化动力学的改善,而这些改善主要是载流子密度的增加和样品表面用Co2+修饰的结果。在本论文的第三部分中,介绍了通过在氮气的保护下在FTO基底和TiO_2种子层上高温退火制备g-C_3N_4薄膜,然后再通过金纳米棒对石墨相氮化碳进行有效掺杂,再通过在不同高温下进行退火,从而最大化的提高其光电化学性能的实验过程。并报道了通过SEM和XRD等手段对样品薄膜进行形貌表征的结果和薄膜的光电流响应检测结果。实验结果表明通过对纯的石墨相氮化碳(g-C_3N_4)进行金纳米棒掺杂后,其光电流有了很大的提高。这主要是因为金纳米棒可以很大程度上改善了电荷分离,最终提高了石墨相氮化碳(g-C_3N_4)半导体的导电性以及光催化性能。在本论文的第四部分中,主要介绍了在有或无金纳米棒掺杂的石墨相氮化碳薄膜上通过简单的水热法合成复合半导体光催化材料g-C_3N_4/TiO_2NWs和Au/g-C_3N_4/TiO_2NWs的实验过程。经不同温度(300℃、500℃)下进行退火后检测其光电流响应发现,500℃退火后的Au/g-C_3N_4/TiO_2NWs样品所呈现出的光电流最高。这主要是通过形成的掺杂复合物或是复合半导体材料的对光生电子和空穴得到了有效分离,从而进一步加快了其光催化水解制氢的化学反应速率及其效率。
【学位授予单位】:西北师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:O643.36

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