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《西北师范大学》 2016年
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一维TiO_2和α-Fe_2O_3的光电化学性能研究

王雪槐  
【摘要】:二十一世纪的重大课题是资源、环境、人口和人类社会的可持续发展,也是经济快速发展和能源大量消耗的时代。能源危机已经成为当今世界的一大难题,人类所使用的石油、天然气和煤炭三大传统化石燃料,虽然可以满足人类对能源的大量需求,但是这些传统燃料的资源使用是和温室效应,酸雨,环境恶化紧密联系在一起的,并且这些化石燃料是不可再生资源,会被全部消耗完,因此,如何解决这些问题,寻找新型的绿色清洁可持续的替代能源,对人类来说是一项义不容辞的责任同时也是一个巨大的挑战。三大化石燃料都是在太阳能的作用下生成的,因而,太阳能的开发与利用便成为能源探索的重中之重。由于氢气等能源在一些方面具有明显的优势,所以如何有效的把太阳能转化为电能,利用获得的电能分解水来产生氢气(即光解水制氢)就成为了现在的研究热点。自从1972年Fujishima和Honda使用二氧化钛作为光催化剂以来,光电化学分解水已被认为是将太阳能转化为氢能的最有前景的方法之一。因此制备具有高化学活性的光解水催化剂材料,具有非常深远的意义。TiO_2和α-Fe_2O_3因其成本低、高的光化学性能作为良好的半导体催化剂而受到特别关注。本论文主要从以下三个方面进行探究,具体内容为:(1)P掺杂锐钛矿型TiO_2薄膜的制备:以浓盐酸(质量分数36.5%-38%)、浓硫酸(质量分数98%)和钛酸四丁酯为原料,采用水热法在有TiO_2种子层的FTO薄膜上合成了有方向性生长的锐钛矿相TiO_2纳米线薄膜。并以次亚磷酸钠作为磷源,N_2作为保护气体,300℃退火1 h,制备了P掺杂的锐钛矿TiO_2纳米线样品。通过SEM、XRD、UV-vis、IPCE、UPS、I-V、Voc decay、IMPS等对样品进行了表征,掺杂后的TiO_2纳米线薄膜的光电流密度达到了0.4 mA·cm~(-2)(0.2 V vs SCE),是未掺杂之前的2倍多。(2)P掺杂金红石型TiO_2薄膜的制备:去离子水和盐酸体积比为1:1加入500 uL钛酸四丁酯,采用水热法制备金红石相TiO_2纳米线薄膜。以次亚磷酸钠作为磷源,N_2作为保护气体。低温煅烧处理制备出了P掺杂的金红石相TiO_2。通过SEM、XRD、UV-vis、IPCE、UPS、I-V、Voc decay、IMPS等对样品进行了表征,在对所制备的样品进行光催化性能表征后发现P掺杂的金红石相TiO_2具有更好的光电催化活性。通过光电流测试,金红石相TiO_2纳米线薄膜样品的光电流达到0.09 mA·cm~(-2)(0.2 V vs SCE),经过掺杂改性以后,它的光电流可以达到1.8 mA·cm~(-2)(0.2 V vs SCE)。(3)α-Fe_2O_3纳米管的制备:在双电极系统中,纯铁片作为阳极,铂片作为对电极通过阳极氧化法制备α-Fe_2O_3纳米管,电解质是EG+x wt%NH_4F+y vol% DI组成的。通过SEM对样品进行了表征,结果发现,样品形貌是由阳极氧化溶液的温度和NH_4F的浓度决定的,也受阳极氧化的电压和氧化时间的影响。最后,部分α-Fe_2O_3样品在AM 1.5G,光强为100 mW/cm~2的照射条件下进行了光电流密度测试。
【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;TQ116.2

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