铬掺杂锡酸钡纳米材料的制备、能带调控及性能研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:asdf8865
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碱土金属锡酸盐ASnO3(A=Ca、Sr和Ba)是一类宽禁带钙钛矿结构半导体氧化物,具有较高的电子迁移率、热稳定性以及气敏特性,在透明导电薄膜、光催化、钙钛矿太阳能电池、气敏传感器等领域有很好的应用前景。但其较宽的光学带隙(3.1–4.3 eV)限制了其在光催化、太阳能电池等领域的应用,因此有必要对碱土金属锡酸盐的能带结构进行调控,拓宽其在可见光波段内的吸收,进而推动新型光电器件的设计与发展。理论计算和实验研究结果表明,通过金属元素掺杂(如Cr、Mn、Fe和Co等)可有效调控碱土金属锡酸盐的能带结构、光学和电学性能,其光学带隙有望调控到有利于可将光吸收范围。本论文以制备高稳定、高结晶、高光吸收、全无机钙钛矿吸光材料为目标,选择锡酸钡BaSnO3为研究对象,通过金属元素铬Cr掺杂调控其能带结构、光学、电学性能,在此基础上探索其实际应用。本论文主要包括以下两个研究内容:(1)铬掺杂锡酸钡BaSn1–xCrxO3(BSCO-x)纳米颗粒的制备与光催化性能研究。采用过氧化物沉淀法制备了高结晶、具有可见光吸收的BSCO-x钙钛矿纳米颗粒,系统研究了BSCO-x纳米颗粒的形成机理、微观结构、形貌以及光学性能。Cr元素掺杂可有效降低BaSnO3纳米颗粒的光学带隙,在2.69–3.15 eV范围内连续可调。BSCO-x纳米颗粒的可见光降解有机染料(如甲基橙)的催化活性也随着Cr掺杂浓度的增加而提高。同时BSCO-x纳米颗粒具有优异的耐酸碱性以及热稳定性,在强酸(pH=1)、强碱(pH=14)条件下具有良好的光催化活性,且经二次高温热处理(1000°C)后仍保持良好的催化活性。(2)BSCO-x薄膜的制备与光、电性能研究。将制备的BSCO-x纳米颗粒分散到有机溶剂中,采用旋涂法在氟掺杂氧化锡(FTO)透明导电玻璃衬底上成功制备了BSCO-x薄膜,所制备的薄膜具有纳米多孔结构,其比表面积为20 m2/g,孔径为10 nm。Cr元素掺杂会促进薄膜晶粒长大、孔径增大、比表面积减小、光学带隙降低以及室温电阻率降低,同时所有薄膜样品在500–800 nm的波长范围内都具有较高光学透过率(大于70%)。本工作制备的BSCO-x材料有良好的应用前景,有望用于有机污染物光催化降解以及制备高稳定性的环境友好型钙钛矿光电器件等,对促进钙钛矿纳米材料的深入研究和实际应用,具有重要意义。
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