碳和氮摻雜TiO2薄膜的制備及其光電化學(xué)性能研究.pdf

1、TiO2具有價(jià)格便宜、無(wú)毒、原料易得、抗光腐蝕性、化學(xué)穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn),是目前研究最為廣泛的半導(dǎo)體光催化劑之一。TiO2可應(yīng)用于光催化分解水制氫、降解污染物或太陽(yáng)能電池等多個(gè)方而。但TiO2禁帶寬度較寬,僅吸收紫外光,對(duì)太陽(yáng)能的利用率很低,限制了其在太陽(yáng)能利用領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用,因而對(duì)TiO2進(jìn)行各種修飾摻雜以提高其在可見(jiàn)光下光電轉(zhuǎn)換效率的研究是當(dāng)前的熱點(diǎn)課題。本論文采用反應(yīng)磁控濺射、陽(yáng)極氧化和電泳沉積等多種方法制備了碳或氮摻雜的TiO2薄膜

2、,考察了薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、表面形貌、電子結(jié)構(gòu)、光吸收性能以及光電化學(xué)性能。通過(guò)引入碳或氮元素,減小了TiO2薄膜的禁帶寬度,提高了TiO2薄膜的可見(jiàn)光光電性能。論文的主要研究成果如下:
　　1.利用直流反應(yīng)磁控濺射法制得TiNX薄膜,然后通過(guò)熱氧化TiNX薄膜成功制備了氮摻雜的TiO2薄膜,通過(guò)調(diào)節(jié)濺射時(shí)的氮?dú)弩w積比控制薄膜中的N含量。研究表明:所得TiO2薄膜均為銳鈦礦相,并具有粗糙的表面形貌。光吸收譜顯示氮摻雜TiO2薄膜對(duì)光的

3、吸收有紅移,禁帶寬度從純TiO2的3.36 eV減小到了3.12 eV。所制得的氮摻雜TiO2薄膜電極在可見(jiàn)光下均顯示了光電響應(yīng),這與光吸收譜的結(jié)果吻合。在氮?dú)弩w積比(N2/(N2+Ar),)為33％時(shí)濺射所得的樣品具有最高可見(jiàn)光光電流密度,相比純TiO2薄膜,0 V時(shí)氮摻雜的TiO2薄膜可見(jiàn)光下光電流密度山0.29μA/cm2上升到了最高10.71μA/cm2,提高了37倍。
　　2.利用直流磁控濺射法制得TiCX薄膜,然后通過(guò)

4、陽(yáng)極氧化TiCX薄膜的方法制備了具有可見(jiàn)光活性的碳摻雜多孔狀的TiO2薄膜,對(duì)薄膜進(jìn)行了SEM、EDS、XRD、漫反射光譜、光電流測(cè)試,分別研究了TiO2薄膜的表而形貌、結(jié)晶情況和禁帶寬度及其相應(yīng)的光電性能。結(jié)果表明,該方法制得的薄膜為銳鈦礦相多孔狀薄膜,碳的引入使得薄膜的光吸收邊由原來(lái)的380 nm向可見(jiàn)光方向紅移至554 nm。相比純TiO2薄膜,0 V時(shí)碳摻雜的TiO2薄膜在可見(jiàn)光下光電流密度山0.53μA·cm-2提高到了1.5

5、8μA·cm-2,可見(jiàn)光下光電響應(yīng)提高了3倍。
　　3.首先利用電泳沉積的方法制備了TiC薄膜,然后通過(guò)空氣中直接熱氧化所得TiC薄膜的方法制備了具有可見(jiàn)光光電活性的碳摻雜TiO2薄膜。XRD測(cè)試證實(shí)了該方法下Ti片表面TiC薄膜的形成,EDS以及XPS測(cè)試表明較高溫度下熱氧化得到的樣品中C的含量較小,且C原子是以Ti-C鍵的形式摻雜進(jìn)TiO2晶格中。研究了沉積電壓以及熱氧化溫度對(duì)TiO2薄膜可見(jiàn)光下光電性能的影響,結(jié)果表明,沉積