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半导体光催化材料的制备与改性

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摘要:半导体光催化剂有很多种制备方法,本文主要介绍磁控溅射法、溶胶-凝胶法和电沉积法。单一的半导体光催化剂存在一定的局限性,限制了其性能。本文研究了利用肖特基势垒和异质结结构对半导体光催化材料进行改性,提高光催化性能。

关键词:半导体光催化;制备方法;改性

1绪论半导体光催化的研究

起源于上个世纪七十年代和八十年代早期,主要涉及将太阳能转化为化学能的光电化学系统和微光电化学系统。第一个光分解水的光电化学系统由日本的科学家Fujishima和Hinda[2]开发,他们将TiO2光电阳极和Pt电极耦合组成一个电化学电池。当光照射TiO2电极表面,电流通过外电路从Pt电极流向TiO2电极。电流的方向表明氧化反应发生在TiO2电极,还原反应发生在Pt电极。实验发现,通过可见光照射,不需要任何外界电压,可以分解为氧气和氢气。

2制备方法

2.1磁控溅射法

磁控溅射法制备的薄膜致密并且具有良好的附着性,可重复性强。在溅射过程中,靶材作为阴极,基片为阳极,它们之间加有数千伏的电压,当把腔体抽至真空(8*10-4Pa)后,通入合适的惰性气体(通常为氩气),并将其调节至恰当的流速,由于高压放电的作用,通入的气体分子将被电离,电子移动至阳极,阳离子由于高压电场作用,加速运动撞击靶材并释放大量能量。靶材中的原子由于受到撞击获得较高的能量,脱离靶材的束缚飞向衬底,并在衬底上沉积出相应的薄膜。[3]

2.2溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法是一种条件温和的制备方法。它是以无机盐或是有机盐为原料,使其在溶液中发生水解和缩聚反应,充分搅拌,形成透明的溶胶体系,溶胶经过陈化,颗粒发生缩聚,形成三维网状的凝胶,凝胶再经过烘干煅烧得到薄膜。和其他制备工艺相比较,该方法具有很多优点:制备过程温度低,能得到均匀、高纯的薄膜,实验仪器简单,操作简便,成本低。同时,溶胶-凝胶法也存在一定的缺点:该方法涉及的原料大部分均为有机物,长时间接触对人体有危害。并且在操作过程中若时间处理不当,薄膜容易开裂。

2.3电沉积法

电沉积法是一种自底部向上生长的一种方法,由于电化学反应发生在电极的表面,因此它具有一种追踪的能力。与其他自底向上的方法相比,电沉积法是一种简单的、具有成本效益的、可扩展的方法,可以获得连续的、均匀的薄膜,不需要高温处理也不需要在真空条件下进行,操作起来更为简便;此外,该技术还能够在形状不规则和表面不规则的基底上生长均匀的薄膜材料,并且对基底的尺寸没有严格的要求,能够进行大面积的生长。制备过程中,通过调节沉积电流、沉积电压、溶液成分、溶液pH、沉积时间等参数,可以调整所生长薄膜的物理结构及化学性质。

3半导体光催化材料的改性

3.1肖特基势垒当金属与半导体相互接触,两种材料的费米能级在热平衡时必须相等;此外,真空能级必须是连续的,因此其分界面处的能带将发生弯曲,形成一个势垒,称之为肖特基势垒。肖特基的势垒高度φBn等于金属功函数φm(金属费米能级与真空能级之差)与半导体的电子亲和势Χ(半导体导带与真空能级之差)之差。如下图(a)和(b)所示,当金属与n型半导体相接触时,由于半导体的逸出功一般比金属的小,电子从半导体流入金属,在半导体表面形成一个由带正电不可移动的杂质离子组成的空间电荷区,在此区中存在一个由半导体指向金属的电场,犹如筑起一座高墙,阻止半导体中的电子继续流入金属,在界面处半导体的能带向上弯曲,形成一个高势能区,即肖特基垒。电子必须高于这一势垒的能量才能越过势垒流入金属。同理,金属与p型半导体相接触时,能带则向下弯曲。

3.2半导体异质结异质结指两种不同的半导体相接触,形成的界面部分。根据半导体的类型,可以分为两种:p-n结和n-n结,催化原理基本一致。[4]p-n结即p型半导体与n型半导体相接触,如下图所示。当光照射在异质结上,载流子会发生转移,从而在界面处产生内建电场,电子与空穴向相反的方向移动。当入射光子的能量大于等于半导体禁带宽度(Eg)时,光生电子直接从p型半导体的导带移动至n型半导体的导带,同样的,光生空穴从n型半导体价带移动至p型半导体的价带。

4结论

本文首先对半导体光催化材料的制备方法进行详细的介绍,发现磁控溅射法制备的薄膜最为致密,电沉积法更适合大面积生长薄膜,溶胶-凝胶法制备过程最为简便。但是,单一的半导体材料存在一定问题:对太阳光的吸收主要分布在紫外光部分,对可见光的吸收较少;光照时,虽然半导体产生的电子空穴对很多,但载流子在转移过程中的复合率也很高。为了解决此类问题,本文介绍了两种结构:肖特基势垒和异质结结构,能够大大改善材料的光催化性质。

作者:朱丽 单位:苏州大学物理与光电能源学部

材料与冶金学报责任编辑:张雨    阅读:人次