聚合物辅助沉积法生长高效的tio2阵列@nio异质结光阳极【字数：8365】
摘 要由于化学燃料的日益枯竭以及燃烧化学燃料对环境的污染我们需要寻找新的可再生无污染的能源进行替代，此文介绍了目前光解水的国内外研究状况，对氢气能源的需求刻不容缓，纯二氧化钛柱虽然能提高电子与空穴对的分离，但仍然会有大部分的电子与空穴对复合，本文提出在二氧化钛阵列表面修饰一层氧化镍,n型的二氧化钛与p型氧化镍形成p-n结能有利于电子与空穴对的分离，从而提高二氧化钛纳米阵列的光电化学性能，本文中我们通过辅助聚合物沉积法生长高效的TiO2阵列@NiO异质结光阳极，研究了不同浓度的Ni+前驱体溶液生长的TiO2阵列@NiO对形貌、光电化学性能等的影响，从而得出最优的浓度为0.50 M。该浓度前驱体溶液生长的TiO2-NiO薄膜的电流值约是纯TiO2的4倍，可见通过p-n结可以大幅的提高其性能。 Ⅱ
Key words:photohydrolysis water、TiO2@NiO、photoanode、 photochemistry. 目 录
AbstractⅢ
第一章 绪论1
1.1 引言1
1.2光解水1
1.2.1光解水原理1
1.2.2国内外光解水研究2
1.3课题来源3
第二章 半导体催化3
2.1催化的意义3
2.2光催化3
2.3光催化提高光电性能的方法4
2.4制备方法 5
2.4.1模板法制备TiO2 5
2.4.2水热法6
2.4.3阳极氧化法6
2.5TiO2阵列修饰6
第三章 制备与表征7
3.1聚合物辅助沉积法7
3.1.1聚合物辅助沉积法原理 7
3.1.2聚合物辅助沉积的设备 8
3.2样品及表征方法 9
3.2.1X射线衍射（XRD） 11
3.2.2X射线光电子能谱12
3.4TiO2NiO 阵列光电化学性能 13
第四章 总结与展望 13
4.1总结13
4.2展望13
第五章 参考 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
文献14
致谢15
绪 论
1.1引言
化石燃料过度开采以及使用导致其日益枯竭，并且化石燃料燃烧之后会产生大量的一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫以及其他的有害物质会使我们生活的环境污染加剧，因此我们对可再生能源的研究、开发、利用刻不容缓。
目前氢气是最好的清洁能源其具有高燃烧能和零排碳等优点，所以成为了取代化石燃料的主要能源之一，其中通过太阳能光解水生成氢气是满足能源需求的重要技术。
1972年东京大学Fujishhima A与Honda K教授发现在光照条件下TiO2的电极光催化可成功的将水分解成氢气、氧气[1]，从而开辟了利用太阳能光解水的道路。
虽然经过多年的科研取得了一定的成果但如何高效稳定的利用光电化学水解制备可再生能源氢气是一项极具挑战的任务[2]。
1.2光解水
1.2.1光解水的原理
光催化反应有“降低能垒”和“升高能垒”两类。其中光催化降解有机物就属于降低能垒反应，而水分解生成氢气与氧气则属于高能垒反应，该反应将光能转为化学能，ΔG＞0（ΔG=237 KJ/mol）[3]。光辐射在半导体上，当辐射辐射的能量大于或相当于半导体的禁带宽度时，半导体内电子受激发从价带跃迁到导带，而空穴则留在价带，使电子和空穴发生分离，然后分别在半导体不同位置将水还原成H2或者将水氧化成O2。作为光催化分解水制备氢气的半导体需具有高稳定性、抗光腐蚀性、价格低廉、能够高效吸收太阳光以及满足分解水的热力要求[4]。
图1光催化光源及实验系统 图2半导体TiO2光催化机理示意图
1.2.2国内外光解水的研究
二十世纪七十年代初期东京大学本多健一和藤岛昭研究发现二氧化钛(TiO2)可在光催化的条件下分解水生成氢气氧气，从此以后高活性、安全无毒、化学性质稳定且抗光腐蚀、难溶低成本的半导体二氧化钛在太阳能光解水方面受到了广泛应用。
TiO2是n型氧化物半导体其主要分为锐钛矿型晶形和金红石型晶形，其中锐钛矿型具有较高的活性它的价带到导带的禁带宽度约为3.2 ev，当紫外光照射TiO2时价带电子收到激发跃迁至导带并在价带产生相应的空穴，形成电子空穴对。产生的电子空穴在内部电场的作用下分离并且迁移到粒子表面。通过其很强的得电子能力和强氧化性可夺取半导体颗粒表面被吸附物质或溶剂中的电子，使原本不吸收光的电子被活化氧化，电子受体通过接受表面电子而被还原，这就是光催化反应[5]。
因为TiO2的带隙较宽，仅吸收太阳光中能量较高的紫外部分，纳米TiO2受光照产生的光生载流子有可能在TiO2粒子内部和表面上重新复合而降低TiO2的活性[6]。为了使太阳能得到更加充分合理的应用，通过修饰TiO2可提高其效率，所以目前引起了许多科学家的广泛关注[7]。
其中何超等人使用了贵金属沉积的方法制备Ag/TiO2得出了适量掺杂Ag能提高TiO2的光催化分解效率，甘玉琴等人也通过制备Au/TiO2得出相同结论。
并且在2017年11月在第六届中国功能材料及其应用学术会议上讨论了研究了金属离子掺杂对纳米TiO2光催化活性的影响剂机理研究。
常州大学硕士实验师陆晓旺、张作松等人用CeO2纳米颗粒对TiO2进行修饰，他们使用了微波辅助均相沉淀法将CeO2颗粒修饰到了TiO2纳米管阵列上，利用了XRD、XPS等手段对其进行了表征分析，得到了CeO2纳米颗粒修饰的TiO2纳米阵列管的光吸收扩展到了可见光，在原基础上其效率增强了太阳光的利用。
1.3课题来源
随着化石能源的枯竭，对能源的需求越来越大于是寻找新的清洁可再生能源成为了新时代的目标，目前通过光解水的研究可以得到氢气，作为无害零排碳能源是代替化石燃料的新型能源之一，我们这个课题的目的就是通过辅助聚合物沉积法的到高效的TiO2阵列@NiO异质结光阳极以此提高氢气的生成效率。
第二章 半导体催化
2.1催化的意义
通过选择半导体光电极材料或者改变电极的表面状态（表面处理或者修饰催化剂）来加速光电化学反应的作用。光电化学反应是指光辐照与电解液接触的半导体表面所产生的光生电子—空穴对被半导体电解液的电场所分离后与溶液中离子进行的氧化还原反应。
半导体光阳极在将光能转换为化学能，用半导体材料做光阳极起光吸收和光催化作用。n型半导体构成光阳极，只催化氧化反应；p型半导体做光阴极，只催化还原反应。半导体一般不具有良好的反应活性，电极反应往往需要过高的电位，可进行合适的表面处理或者修饰来提高催化活性。例如，在TiO2光阳极表面修饰铂等可提高光电催化时放氢的速率。
Key words:photohydrolysis water、TiO2@NiO、photoanode、 photochemistry. 目 录
AbstractⅢ
第一章 绪论1
1.1 引言1
1.2光解水1
1.2.1光解水原理1
1.2.2国内外光解水研究2
1.3课题来源3
第二章 半导体催化3
2.1催化的意义3
2.2光催化3
2.3光催化提高光电性能的方法4
2.4制备方法 5
2.4.1模板法制备TiO2 5
2.4.2水热法6
2.4.3阳极氧化法6
2.5TiO2阵列修饰6
第三章 制备与表征7
3.1聚合物辅助沉积法7
3.1.1聚合物辅助沉积法原理 7
3.1.2聚合物辅助沉积的设备 8
3.2样品及表征方法 9
3.2.1X射线衍射（XRD） 11
3.2.2X射线光电子能谱12
3.4TiO2NiO 阵列光电化学性能 13
第四章 总结与展望 13
4.1总结13
4.2展望13
第五章 参考 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
文献14
致谢15
绪 论
1.1引言
化石燃料过度开采以及使用导致其日益枯竭，并且化石燃料燃烧之后会产生大量的一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫以及其他的有害物质会使我们生活的环境污染加剧，因此我们对可再生能源的研究、开发、利用刻不容缓。
目前氢气是最好的清洁能源其具有高燃烧能和零排碳等优点，所以成为了取代化石燃料的主要能源之一，其中通过太阳能光解水生成氢气是满足能源需求的重要技术。
1972年东京大学Fujishhima A与Honda K教授发现在光照条件下TiO2的电极光催化可成功的将水分解成氢气、氧气[1]，从而开辟了利用太阳能光解水的道路。
虽然经过多年的科研取得了一定的成果但如何高效稳定的利用光电化学水解制备可再生能源氢气是一项极具挑战的任务[2]。
1.2光解水
1.2.1光解水的原理
光催化反应有“降低能垒”和“升高能垒”两类。其中光催化降解有机物就属于降低能垒反应，而水分解生成氢气与氧气则属于高能垒反应，该反应将光能转为化学能，ΔG＞0（ΔG=237 KJ/mol）[3]。光辐射在半导体上，当辐射辐射的能量大于或相当于半导体的禁带宽度时，半导体内电子受激发从价带跃迁到导带，而空穴则留在价带，使电子和空穴发生分离，然后分别在半导体不同位置将水还原成H2或者将水氧化成O2。作为光催化分解水制备氢气的半导体需具有高稳定性、抗光腐蚀性、价格低廉、能够高效吸收太阳光以及满足分解水的热力要求[4]。
图1光催化光源及实验系统 图2半导体TiO2光催化机理示意图
1.2.2国内外光解水的研究
二十世纪七十年代初期东京大学本多健一和藤岛昭研究发现二氧化钛(TiO2)可在光催化的条件下分解水生成氢气氧气，从此以后高活性、安全无毒、化学性质稳定且抗光腐蚀、难溶低成本的半导体二氧化钛在太阳能光解水方面受到了广泛应用。
TiO2是n型氧化物半导体其主要分为锐钛矿型晶形和金红石型晶形，其中锐钛矿型具有较高的活性它的价带到导带的禁带宽度约为3.2 ev，当紫外光照射TiO2时价带电子收到激发跃迁至导带并在价带产生相应的空穴，形成电子空穴对。产生的电子空穴在内部电场的作用下分离并且迁移到粒子表面。通过其很强的得电子能力和强氧化性可夺取半导体颗粒表面被吸附物质或溶剂中的电子，使原本不吸收光的电子被活化氧化，电子受体通过接受表面电子而被还原，这就是光催化反应[5]。
因为TiO2的带隙较宽，仅吸收太阳光中能量较高的紫外部分，纳米TiO2受光照产生的光生载流子有可能在TiO2粒子内部和表面上重新复合而降低TiO2的活性[6]。为了使太阳能得到更加充分合理的应用，通过修饰TiO2可提高其效率，所以目前引起了许多科学家的广泛关注[7]。
其中何超等人使用了贵金属沉积的方法制备Ag/TiO2得出了适量掺杂Ag能提高TiO2的光催化分解效率，甘玉琴等人也通过制备Au/TiO2得出相同结论。
并且在2017年11月在第六届中国功能材料及其应用学术会议上讨论了研究了金属离子掺杂对纳米TiO2光催化活性的影响剂机理研究。
常州大学硕士实验师陆晓旺、张作松等人用CeO2纳米颗粒对TiO2进行修饰，他们使用了微波辅助均相沉淀法将CeO2颗粒修饰到了TiO2纳米管阵列上，利用了XRD、XPS等手段对其进行了表征分析，得到了CeO2纳米颗粒修饰的TiO2纳米阵列管的光吸收扩展到了可见光，在原基础上其效率增强了太阳光的利用。
1.3课题来源
随着化石能源的枯竭，对能源的需求越来越大于是寻找新的清洁可再生能源成为了新时代的目标，目前通过光解水的研究可以得到氢气，作为无害零排碳能源是代替化石燃料的新型能源之一，我们这个课题的目的就是通过辅助聚合物沉积法的到高效的TiO2阵列@NiO异质结光阳极以此提高氢气的生成效率。
第二章 半导体催化
2.1催化的意义
通过选择半导体光电极材料或者改变电极的表面状态（表面处理或者修饰催化剂）来加速光电化学反应的作用。光电化学反应是指光辐照与电解液接触的半导体表面所产生的光生电子—空穴对被半导体电解液的电场所分离后与溶液中离子进行的氧化还原反应。
半导体光阳极在将光能转换为化学能，用半导体材料做光阳极起光吸收和光催化作用。n型半导体构成光阳极，只催化氧化反应；p型半导体做光阴极，只催化还原反应。半导体一般不具有良好的反应活性，电极反应往往需要过高的电位，可进行合适的表面处理或者修饰来提高催化活性。例如，在TiO2光阳极表面修饰铂等可提高光电催化时放氢的速率。
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