CuNb2O6光电极的制备及其光电催化性能的研究

作     者：李治学 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱地;宋安刚

授予年度：2024年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 081704[工学-应用化学] 081705[工学-工业催化] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 0703[理学-化学] 

主      题：CuNb2O6 光电催化 喷雾热解 光电阴极 水分解 

摘      要：在太阳能制氢领域,光电催化水解制氢是以太阳能为主要能源,利用水作为原料的一种先进技术。该技术具有零排放和无污染等显著特点,被视为是一种缓解环境问题和能源危机的有效途径。光电催化水解制氢的原理在于当入射光的能量大于半导体的能带时,光能被吸收,价带电子跃迁到导带,产生光生电子和空穴。电子和空穴迁移到材料表面,与水发生氧化还原反应,产生氧气和氢气。CuNbO作为一种新型的三元金属氧化物p型半导体材料,由于其合理的带隙值、高理论电流密度以及在水中表现出的长期稳定性而引起广泛关注。CuNbO由部分填充d轨道（d）的Cu和具有空（d）d轨道的Nb组成。其光学带隙值在1.45-2.7 e V的范围内,较窄的带隙值使得比其他铌基光催化材料的吸光区域更好。通过理论能带计算可知其导带最小值电位比H/H电位更负,位于-1.73 V ***/Ag Cl,从热力学角度能够进行析氢反应。然而,关于CuNbO当前依然存在结晶相不纯、载流子传输能力弱、光电催化效率低等问题。因此,本论文的主要内容始于CuNbO的制备,通过优化退火温度和构建异质结等改性手段,改善了薄膜中光生载流子的传输,从而提高了光催化活性。以下是主要的研究内容: （1）通过优化溶液制备、衬底沉积温度、气体压力以及液体流量等制备条件,在FTO玻璃衬底上采用两步喷雾热解法成功制备了薄膜。对薄膜进行了物相和扫描电镜分析,结果表明所制备的薄膜在先喷涂铌的前驱体溶液中获得了纯相。最后,通过优化薄膜的厚度,解决了在20层时出现的裂缝问题,在此条件下,薄膜展现出最佳的光电化学性能。在0.4 V ***的电位下,其光电流密度达到了0.23 m A/cm。 （2）通过采用两步喷雾热解法成功制备了p型CuNbO,并建立了退火温度梯度,系统评估了其在光电化学（PEC）分解水中的可行性。对薄膜在不同退火温度下的物理和光学物理特性进行了详细表征和分析,涵盖了带边位置、带隙能量、载流子寿命以及入射单色光-电子转化效率（IPCE）等方面。在经过550℃退火处理后,制备的灰色CuNbO薄膜展现出最优异的光电化学性能。CuNbO薄膜的光学带隙约为1.41 e V,表明能够吸收可见光,实现太阳光驱动的水分解。在AM1.5模拟太阳光下,CuNbO薄膜的光电流密度达到0.25 m A/cm,在水溶液（p H=6.8）中以及0.4 V ***的偏压下,其IPCE值可达3%。尽管p-CuNbO薄膜具有良好的光学带隙和光电流密度,但是由于铜的还原反应,在水溶液中和光照条件下仍然表现出不稳定性。 （3）采用了喷雾热解法制备了CuO/CuNbO异质结薄膜。通过紫外-可见吸收光谱、Mott-Schottky、时间分辨光致发光光谱、表面光电压、斩波线性扫描伏安曲线以及电化学阻抗图谱等测试手段对其进行了表征。CuO/CuNbO异质结薄膜相比于纯相CuNbO薄膜,在0.4 V ***的光电流密度达到0.75 m A/cm,表现出优越的光电性能,为该电位下的最大值。通过绘制能带图,清楚的揭示了在CuO上沉积CuNbO薄膜的载流子传输机制。在此异质结中,CuO充当异质结的空穴传输层,CuNbO参与水的析氢反应。这样的p-p型异质结减少了电子-空穴的复合,提高了电荷载流子的分离和传输。