ZnO/Cu_2O异质结纳米阵列制备及光催化性能

利用湿化学法在FTO玻璃基底上制备了高度规整的ZnO纳米棒阵列(ZnO NRAs),以此为衬底,采用磁控溅射法在ZnO NRAs表面沉积Cu_2O薄膜。分别用X射线衍射仪、X射线光电子能谱、扫描电镜、光致光谱、紫外可见分光光度计和电化学工作站对样品的物相、形貌、吸收光谱、光电性能进行了表征,用甲基橙(MO)模拟有机物废水研究复合材料的光催化性能。结果表明:ZnO纳米棒为六方纤锌矿结构,其直径约为80~100 nm,长约2~3μm,棒间距约100~120 nm。立方晶系的Cu_2O颗粒直径约为100~300 nm,形成致密膜层并紧密覆盖在ZnO NRAs表面上,构成ZnO/Cu_2O异质结纳米阵列(ZnO/Cu_2O HNRAs)结构。与纯ZnO NRAs和Cu_2O相比,ZnO/Cu_2O HNRAs在可见光范围内的吸收显著增强,吸收波长向可见光方向偏移。ZnO/Cu_2O HNRAs的载流子传递界面的电荷转移速度快,有效促进了光生电子和空穴的分离。在紫外-可见光照射65 min后,ZnO/Cu_2O HNRAs的降解效率为94%,分别是纯ZnO NRAs和Cu_2O的18倍和1.7倍。

恒电流法制备Cu_2O/TiO_2复合纳米管阵列异质结光电极

通过在含F-离子的电解液中阳极氧化Ti薄片基底制备了TiO2纳米管阵列,随后通过恒电流沉积的方法在在TiO2纳米管阵列顶部原位电沉积了Cu2O纳米颗粒。场发射电子扫描显微镜显示TiO2纳米管这列被成功制备,通过恒电流电化学沉积后,TiO2纳米管阵列顶部出现大量纳米颗粒物质,并且随着沉积时间的延长,可以控制沉积物的量。通过X-射线衍射谱的特征衍射谱图我们可以发现TiO2锐钛矿的衍射峰以及相对较弱的Cu2O衍射峰,这说明Cu2O晶体的结晶度不高。在能谱(EDS)图中我们可以发现Ti、Cu、O三种元素,结合XRD以及FE-SEM结果我们可以指出,通过恒电流法确实可以在TiO2纳米管阵列顶部原位沉积Cu2O纳米颗粒。

ZnO/Cu_2O异质结的制备及其光电性能研究

通过两步法制备了由ZnO纳米棒阵列和Cu2O薄膜组成的异质结。首先利用低温湿化学法在掺氟的SnO2导电玻璃(比较FTO)上生长ZnO纳米棒阵列,然后在ZnO纳米棒阵列上通过水热法继续生长Cu2O薄膜,形成ZnO/Cu2O异质结。通过扫描电子显微镜和X射线衍射仪的表征结果得知,ZnO纳米棒阵列具有很好的c轴取向性,其长度为1μm;而Cu2O薄膜的厚度为1.5μm,其(111)面优先沿ZnO的(002)面外延生长。与ZnO纳米棒阵列相比,ZnO/Cu2O异质结在可见光范围内吸收强度明显增强。在模拟太阳光照射下(AM 1.5,100mW/cm2),由ZnO/Cu2O异质结构成的太阳能电池器件的开路电压为0.36V,短路电流密度为7.8mA/cm2,对应的填充因子为31%,光电转换效率为0.86%。

取向纳米ZnO/Cu_2O异质结阵列的制备及光电特性

以水热合成法制备的一维取向n型ZnO纳米线阵列为衬底,采用电化学沉积法在其上沉积生长一层p型Cu2O半导体包覆层,制备出了新型ZnO/Cu2O异质结纳米线阵列光敏器件.利用XRD、SEM、TEM、XPS、PL及光响应特性等测试方法对样品的形貌、晶体结构、化学成分及光电特性进行了分析表征.研究了生长条件对ZnO/Cu2O异质结纳米线阵列各种特性的影响.研究发现,适宜的沉积电压和沉积时间是保证ZnO/Cu2O异质结光敏器件具有适宜厚度核壳包覆层及较好光响应特性的关键因素.研究结果为ZnO及Cu2O半导体材料在光敏器件中的应用提供了实验基础.

CdS纳米晶敏化ZnO/Cu_2O异质结太阳能电池的研究

为了研究CdS纳米晶对ZnO/Cu_2O异质结太阳能电池性能的影响,利用湿化学法在FTO玻璃基底上制备了高度规整的ZnO纳米棒阵列,并用CdS纳米晶对ZnO纳米棒阵列进行敏化;采用磁控溅射法在敏化后的ZnO纳米棒阵列表面沉积Cu_2O薄膜,组装成ZnO/Cu_2O异质结太阳能电池。分别用X射线衍射(XRD)仪、扫描电镜(SEM)、紫外可见分光(UV-vis)光度计和光电性能综合测试仪对物相、形貌、吸收光谱和光电性能进行了表征。研究结果表明:ZnO纳米棒为六方纤锌矿结构,其直径约80~100nm,长约2μm,棒间距约100~120nm;Cu_2O团簇颗粒直径约为100~300nm,形成致密膜层并紧密覆盖在ZnO纳米棒阵列表面上,构成ZnO/Cu_2O异质结结构;经CdS纳米晶敏化的ZnO/Cu_2O异质结在可见光范围内吸收强度明显增强,其中ZnO+9CdS+Cu_2O异质结性能最好,其对应的太阳能电池在模拟太阳光下,开路电压为0.524V,短路电流密度为7.18mA·cm^(-2),填充因子为41%,转化效率达1.57%。

p-Cu_2O/n-TiO_2纳米管复合电极的制备及其光电性能

采用二次阳极氧化法制备结构规整的TiO_2纳米管阵列,进一步采用恒电流电化学沉积Cu_2O制备纳米管阵列异质结复合电极Cu_2O/TiO_2。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见漫反射光谱(UV-vis DRS)等对样品进行表征。SEM结果表明TiO_2纳米管垂直排列在基底Ti上,管径约为50 nm,管长约为1μm左右,Cu_2O以颗粒状均匀地沉积在TiO_2纳米管阵列上;XRD结果表明TiO_2为锐钛矿晶型,而沉积的Cu_2O为立方型;XPS结果表明Cu_2O/TiO_2中Cu和Ti分别以Cu^(1+)和Ti^(2+)的形式存在;UV-vis DRS结果表明沉积Cu_2O的电极材料的吸光范围由紫外区扩展到紫外-可见区。光电性能测试结果表明:制备的Cu_2O/TiO_2复合电极具有良好的光电分解水的活性,其光电流密度是TiO_2电极的2倍以上。Cu_2O沉积量为5.18×10-7mol时,Cu_2O/TiO_2的光转化效率可达0.41%(0.735 V vs.RHE)。采用焙烧方法改善Cu_2O/TiO_2电极性能,在373 K下空气中焙烧0.5 h,电极的光转化效率可达0.65%(0.759 V vs.RHE)。最后考察了CT-0.1-373和CT-0.1电极的稳定性,经连续100次线性伏安(LSV)扫描,CT-0.1-373的光转化效率为0.64%(0.762 V vs.RHE),而未经焙烧处理的CT-0.1电极,经100次LSV扫描光转化效率值降低至0.38%(0.767 V vs.RHE),结果表明低温焙烧处理不仅可显著提高Cu_2O/TiO_2复合电极的光电活性,也可改善其稳定性。