摘要
能源短缺和环境污染已经成为制约当代社会发展的两大难题，清洁能源体系的建立显然已发展成一种必然的趋势。氢能源作为一种清洁可循环能源吸引了科学家们的关注，并以半导体材料为光阳极，开展了光电化学(PEC)分解水产氢的广泛研究。半导体材料在光照条件下有着自行激发电子-空穴对的特殊物理性质，激发产生的电子-空穴对可以与水发生氧化还原反应，最终得到氢气和氧气。通过PEC分解水产氢技术制备的氢能源具有廉价、高效和稳定的优点并且在反应过程中不会产生二次污染物。在各式各样的半导体光阳极材料中，氧化锌(ZnO)具有来源广泛、电子迁移率高和电化学活性高等特点，是一种新兴的PEC分解水催化剂材料。然而纯ZnO作为一种n型宽带隙材料，它的光吸收范围仅限于紫外区域内，而紫外光仅占太阳光的5%，这一比例极大的制约了ZnO的应用。除此之外，ZnO的光生电子-空穴对复合速率较快，导致了ZnO作为光阳极材料时很难高效利用太阳光，从而造成了其光电转换效率较低。 针对ZnO的缺陷及光电化学当前研究现状，本研究以ZnO为基底，通过采取构建异质结和用其它材料对其进行表面修饰的方式开展了一系列工作，以此提高ZnO的PEC分解水效率。本文主要研究内容如下： (1)利用水热法在FTO导电玻璃上生长ZnO纳米棒阵列，而后采用浸渍法成功制备了p-CuO/n-ZnO纳米棒异质结阵列结构，最后通过热还原法制备了Au/p-CuO/n-ZnO纳米棒阵列结构。通过调控CuO薄层包覆ZnO纳米棒阵列的厚度，探究了复合材料在PEC分解水中性能最佳的处理时间，并对复合材料的PEC分解水机理进行了研究。实验结果表明，在p-n结构产生的内部电场与Au纳米粒子的等离子体共振效应的协同作用下，Au/p-CuO/n-ZnO纳米棒阵列光阳极的捕光能力得到了有效增强，其光电转换效率得到了大幅度提升。 (2)通过水热法和磁控溅射的方法，在室温下制备出非晶态的NiO/ZnO纳米棒复合材料，并将复合材料用作PEC分解水的光阳极。利用非晶态NiO壳层包覆ZnO纳米棒阵列形成异质结来抑制ZnO的光腐蚀现象。并通过控制磁控溅射的时间调控NiO包覆ZnO纳米棒阵列的厚度，探究了复合材料在PEC分解水中的性质。结果表明，相比于纯ZnO纳米棒阵列，NiO/ZnO纳米棒阵列有效地阻碍了电子-空穴对的快速复合，显著地改变了ZnO纳米棒阵列的光电响应能力，提高了ZnO纳米棒阵列的光电转换效率。
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