快速退火对氧化铁中掺杂钛的激活效应及其光电化学水分解性能影响的研究

【摘要】：光电化学分解水体系是提供新型清洁能源的一条重要途径。掺杂的窄带隙半导体光阳极既具有较高的太阳光利用率,又能获得较好的电荷传输特性。但掺杂的有效性问题一直是制约光阳极光电化学性能的重要因素。高温退火可以使杂质原子发生更有效的替位,但是长时间的高温退火会对衬底造成破坏。针对以上问题,本文以钛掺杂氧化铁(Ti:Fe_2O_3)作为光阳极,进行高温快速退火处理,研究了高温快速退火对掺杂Ti原子的激活作用以及对Ti:Fe_2O_3光阳极的光电化学分解水性能的提升作用。具体研究内容如下:1.采用不同浓度(0%-10 a.t.%)的钛掺杂氧化铁(Ti:Fe_2O_3)作为光阳极,分别进行传统马弗炉500℃与高温快速退火炉700℃退火处理。测试结果表明,与传统退火方法相比,高温快速退火更加有效地激活了Fe_2O_3光阳极中掺杂的Ti,使Ti更有效地替位掺杂到Fe_2O_3晶格中:显著提高了载流子浓度、电导率以及电荷界面转移性能,得到了较大的光电流。其中,5%-Ti:Fe_2O_3-700的载流子浓度达到1.353×10~(19) cm~(-3),光电流达到了0.91mA/cm~2(1.23 V vs.RHE),分别为5%-Ti:Fe_2O_3-500样品的19.33倍、6倍。针对样品产氧动力学不足的问题,通过表面修饰Co-Pi作为助催化剂。结果表明:Co-Pi的修饰使开启电压和平带电位明显负移。2.采用激光退火的方式对5%-Ti:Fe_2O_3样品进行处理,通过调节脉冲激光的波长,激光脉冲能量和激光脉冲次数优化实验条件。结果表明:对于钛掺杂氧化铁光阳极,激光波长为450 nm、激光脉冲能量为15 mJ、脉冲次数为20次时,得到最优的光电化学性能:激光退火后样品的光电流为0.486 mA/cm~2(1.23 V vs.RHE),载流子浓度为1.29×10~(19) cm~(-3),分别是未退火样品的1.83倍和10.07倍,说明激光退火能够有效激活掺杂钛,提高样品的载流子浓度。而且电化学阻抗和电荷转移效率测试表明,激光退火同时提高了5%-Ti:Fe_2O_3的电荷传输和电荷转移能力。