摘要
光电化学水分解技术在太阳能的驱动下促使水分解产生氢能，有益于应对过度消耗传统化石能源造成的能源储备量不足和环境污染等问题。提高光电化学水分解技术效率的关键在于制备高效、高稳定性和低成本的光电极。氧化亚铜(Cu2O)由地球蕴含丰富的元素组成，制备成本低，材料的理论最大光电流密度可达-14.7mA/cm2,在AM1.5G光照下的光转化氢效率可达18%,它是直接带隙半导体，带隙大小约为2.0eV，导带位置比水的析氢电位更负，所以其是一种十分具备前景的光阴极材料。但是Cu2O在实际应用过程中容易受到光生电子-空穴的快速复合和自身光腐蚀现象的限制，难以推广应用。本文通过构建异质结、制备保护层和负载助催化剂等手段对材料的缺陷进行改善，优化制备工艺提高样品的性能。主要内容如下所述： (1)通过在氢氧化钾溶液中，电化学阳极氧化处理铜片得到Cu(OH)2纳米线，将其置于氮气氛围下，调控退火温度对其进行退火处理，得到四组不同退火温度下的Cu2O纳米线样品，比较四组样品在0Vvs.RHE(可逆氢电极，Reversiblehydrogenelectrode)处的光电流密度，发现400℃退火温度得到的样品光电流密度最大，即-3.67mA/cm2；随后电化学沉积制备Cu2O阻挡层，目的是有效提高材料的光响应能力，调整沉积时长，比较不同参数制备样品的光电流密度和暗电流密度变化情况，发现Cu2O纳米线上沉积30min的Cu2O阻挡层有效的抑制暗电流的产生，并且在0Vvs.RHE处获得最大的光电流密度值，即-3.81mA/cm2；针对光生电子-空穴复合问题，在Cu2O上电化学沉积不同时长的CeO2，两者能带位置相匹配，形成的内建电场有利于载流子的传输和参与水的氧化还原反应，降低光生电子-空穴的复合，同时还增强材料对光的吸收能力，其光电流密度提高至Cu2O(-3.81mA/cm2)的1.72倍，即在0Vvs.RHE处的-6.55mA/cm2，该电流值对应的样品为Cu2O/CeO2(60min)；相应的应用偏压光子-电流转换效率(Appliedbiasphoton-to-currentconversionefficiency,ABPE)由Cu2O的0.69%提升至Cu2O/CeO2的1.88%。 (2)以Cu2O/CeO2为衬底，采用原子层沉积法在其表面制备TiO2作保护层，进一步提升Cu2O/CeO2复合材料的稳定性，结合扫描电子显微镜和X-射线衍射数据，发现150℃下生长的TiO2呈非晶态，调整TiO2的循环圈数，结合线性扫描伏安法测试数据，沉积TiO2循环圈数为650圈得到的Cu2O/CeO2/TiO2复合材料在0Vvs.RHE处的光电流密度为-8.68mA/cm2，对比有无保护层的样品(Cu2O/CeO2和Cu2O/CeO2/TiO2)在1800s的稳定性数据，可知添加保护层后样品保持初始光电流密度的百分比，由2.1%提升至39.4%；电化学沉积Pt纳米颗粒在Cu2O/CeO2/TiO2电极表面作助催化剂，调控Pt的沉积时长，发现在材料表面沉积15min的Pt纳米颗粒，所得到的Cu2O/CeO2/TiO2/Pt样品，在0Vvs.RHE处，最大光电流密度为-10.9mA/cm2，提高为Cu2O光电流密度(-3.81mA/cm2)的2.86倍，ABPE也由1.88%提升至2.02%。莫特肖特基测试得知三者半导体类型，即Cu2O(p型)、CeO2(n型)和TiO2(n型)，平带电位依次为0.68Vvs.RHE、-0.20Vvs.RHE和0.14Vvs.RHE，并结合三者的紫外-可见吸收光谱转换运算后得到的光学带隙，即Cu2O(1.95eV)、CeO2(2.64eV)和TiO2(3.04eV)，确定三者的导带和价带位置，绘制能带图和分析载流子的传输过程。
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