纳米α相三氧化二铁光解水制氢研究

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纳米α-Fe2O3是目前新型光解水材料的研究热点之一。与其它光解水材料相比,α-Fe2O3具有储量丰富、价格便宜、稳定性好和带隙宽度合适的优点。但是,纳米α-Fe2O3也存在众多的缺点,如导电性差,空穴平均自由程短(约2-4nm)等,从而严重限制了其光解水效率,使其在现阶段还不能投入到大规模的商业应用中。因此,对纳米α-Fe2O3材料进行修饰和改性,从而使其具有更高的光催化性能,在能源领域具有十分重要的研究意义。本论文利用了不同的制备方法合成了α-Fe2O3纳米材料,并对其进行了修饰与改性,提高了其光电催化性能,从而为下一步制备出具有商业应用前景的纳米α-Fe2O3光解水材料奠定了基础。在论文第二章中,我们首先利用水热法制备了Ti掺杂的纳米α-Fe2O3并考察了其光电分解水的性能。实验结果表明,Ti掺杂可以有效地提高纳米α-Fe2O3的光电分解水性能。在外加偏压为1.23V vs.时,Ti掺杂纳米α-Fe2O3样品的光电流密度达到了1.91mA/cm2,是未掺杂样品在该电压处光电流密度的2倍多。通过SEM和XPS的表征发现,Ti掺杂改变了纳米α-Fe2O3的形貌和电子结构,增大了其比表面积和载流子的浓度,从而提高了纳米α-Fe2O3对太阳光的吸收利用率和本身的导电性,最终使其光解水的性能得以提高。不同的制备方法对纳米α-Fe2O3的光解水性能也会有很大影响。在第三章中,我们利用非常简单的加热热分解方法制备了碳包覆的纳米α-Fe2O3。在光解水性能测试中,碳包覆的纳米α-Fe2O3具有相对较好的光电催化性能,在1.23V电压处其光生电流密度值为2.1mA/cm2,是同样办法制备但没有碳覆盖的α-Fe2O3样品在该电压处光电流密度值的4倍多。我们对其进行原因分析后认为,表面碳包覆层阻止了纳米α-Fe2O3的深层次氧化,具有更多的氧空穴和更大的载流子浓度,从而使其导电性和光解水性能都得以提高。该制备方法获得了较高的光电流,为下一步的修饰与改性奠定了基础,从而可能得到具有更高光电催化性能的纳米α-Fe2O3材料。同时,碳包覆纳米α-Fe2O3光电极的制备有工艺简单、生产成本低等特点,有利于未来纳米α-Fe2O3材料的大规模商业应用。此外,我们还利用其它方法如葡萄糖辅助水热反应,TiO2与α-Fe2O3复合等来提高α-Fe2O3的光解水性能,同时利用水热法在FTO导电基底上生长出了α-Fe2O3纳米管阵列。实验证实,纳米α-Fe2O3的光解水性能可以通过形貌控制,调控电子结构,增强导电性等多种手段来提高。
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