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随着化石燃料的广泛使用,能源紧缺和环境污染问题已成为人类亟需研解决的两大关键技术难题。光电催化水分解技术可将太阳能转化为氢能,是一种极具发展前景的可再生清洁能源技术。为进一步提高光电催化剂的电荷分离效率,构建半导体复合结是最有效的手段之一。本文基于金属缺陷和氧缺陷调控成功制备了n-ZnO/p-ZnO和n-TiO2/p-ZnO两种薄膜光电极,并探究了p-n内电场对薄膜电极催化活性的影响规律。
首先,通过原位溶剂热法在n型ZnO纳米棒表面生长出具有金属缺陷的ZnO,制备n-ZnO/p-ZnO同质结阵列。电子顺磁共振和莫特-肖特基(M-S)曲线证明了金属缺陷和氧缺陷对ZnO的p型和n型导电特性的有效调控。光电化学(PEC)测试表明p-n同质结的形成能够显著降低界面处的电荷传输电阻,有效地促进了半导体中光生载流子的反向分离和传输,从而提高其光电催化活性。当溶剂热时间为36h时,n-ZnO/p-ZnO具有最高的光电催化活性(1.56 mA/cm2, 1.23 Vvs.RHE)和优异稳定性。另外,搅拌过程中形成的压电效应使ZnO纳米棒内外表面产生压电电场,进一步促进光生电子-空穴反向迁移并提升了光电催化性能。
然后,通过溶剂热法在TiO2纳米棒上负载p型ZnO量子点(3-5 nm),制备n-TiO2/p-ZnO异质结阵列。表征分析结果显示p型ZnO量子点的引入不仅能够大幅提高TiO2的吸光能力,同时p-n异质结在接触界面可以形成较强内电场,促进光生电子-空穴的传递,提高载流子的分离效率。当醋酸锌的添加量为10mg时,n-TiO2/p-ZnO异质结阵列具有最高的光电催化活性(1.70 mA/cm2, 1.23 Vvs. RHE)并表现出较好的稳定性。同时,通过电沉积法在催化剂表面负载NiOOH助催化剂,进一步提高了催化剂的反应活性。
首先,通过原位溶剂热法在n型ZnO纳米棒表面生长出具有金属缺陷的ZnO,制备n-ZnO/p-ZnO同质结阵列。电子顺磁共振和莫特-肖特基(M-S)曲线证明了金属缺陷和氧缺陷对ZnO的p型和n型导电特性的有效调控。光电化学(PEC)测试表明p-n同质结的形成能够显著降低界面处的电荷传输电阻,有效地促进了半导体中光生载流子的反向分离和传输,从而提高其光电催化活性。当溶剂热时间为36h时,n-ZnO/p-ZnO具有最高的光电催化活性(1.56 mA/cm2, 1.23 Vvs.RHE)和优异稳定性。另外,搅拌过程中形成的压电效应使ZnO纳米棒内外表面产生压电电场,进一步促进光生电子-空穴反向迁移并提升了光电催化性能。
然后,通过溶剂热法在TiO2纳米棒上负载p型ZnO量子点(3-5 nm),制备n-TiO2/p-ZnO异质结阵列。表征分析结果显示p型ZnO量子点的引入不仅能够大幅提高TiO2的吸光能力,同时p-n异质结在接触界面可以形成较强内电场,促进光生电子-空穴的传递,提高载流子的分离效率。当醋酸锌的添加量为10mg时,n-TiO2/p-ZnO异质结阵列具有最高的光电催化活性(1.70 mA/cm2, 1.23 Vvs. RHE)并表现出较好的稳定性。同时,通过电沉积法在催化剂表面负载NiOOH助催化剂,进一步提高了催化剂的反应活性。