新型納米氧化鐵材料在光解水中的應(yīng)用.pdf

1、目前，在光催化分解水制氫的體系當(dāng)中，新型的納米氧化鐵材料(α-Fe2O3)作為一種極具潛力的半導(dǎo)體催化劑引起了大家的廣泛關(guān)注。與眾多的納米半導(dǎo)體材料相比，α-Fe2O3有其自身明顯的優(yōu)勢，例如含量豐富、在溶液中性質(zhì)穩(wěn)定、帶隙寬度合適等等。但是在實際研究當(dāng)中，由于α-Fe2O3本身的導(dǎo)電性比較差、光生載流子的壽命短(10-12 s)、電子-空穴容易復(fù)合、動力學(xué)反應(yīng)困難等原因。使得α-Fe2O3的光電流密度還未能突破5mA/cm2。這也遠(yuǎn)遠(yuǎn)

2、的低于其理論的光電流密度12.6 mA/cm2(1.23 V vs.RHE)。因此，若要使納米氧化鐵在未來具有實際的應(yīng)用價值，我們需要對其進(jìn)行修飾和改性。而提高α-Fe2O3的光電流密度、降低起始電壓是改善α-Fe2O3光電性能的兩個重要指標(biāo)。在這本論文中，我們通過碳材料復(fù)合、氫氣處理等多種手段有效的改善了納米氧化鐵的光電性能，這對于納米氧化鐵材料在光解水領(lǐng)域的研究具有重要的意義。
　　在本論文的第二章工作中，我們利用碳材料（CN

3、T或GO）對α-Fe2O3或FeOOH的表面進(jìn)行復(fù)合。在這個工作當(dāng)中，首先對于FeOOH的合成，我們采用簡單的水熱法，通過將CNT或GO溶液旋涂在α-Fe2O3或FeOOH的表面，再經(jīng)過簡單的退火處理即可得到碳材料復(fù)合的樣品?？紤]到納米氧化鐵表面比較光滑不容易與碳材料復(fù)合的問題，我們也進(jìn)行了先將α-Fe2O3用HF腐蝕，然后再旋涂一定濃度的CNT、GO的解決方案。此外，我們對這樣制備的復(fù)合樣品進(jìn)行了一系列的表征和光電性能的測試。由于碳材

4、料本身并不容易與α-Fe2O3薄膜復(fù)合，在樣品合成過程中對溫度、氧氣濃度等條件要求非?？量?，樣品最后的催化效率提升幅度并不是很大。盡管如此，這些研究結(jié)果將對今后研究碳材料與納米氧化鐵的復(fù)合能提供有意義的借鑒。
　　在第三章的工作當(dāng)中，我們通過將FeOOH和AB溶液一起放在坩堝內(nèi)直接進(jìn)行800℃的高溫煅燒處理，從而合成了光電流密度較高，起始電壓較低的氫氣處理的氧化鐵樣品。研究結(jié)果表明，在一個相對密閉、缺氧的體系中通過減少高溫退火的時

5、間可以使α-Fe2O3的顆粒變小，同時該樣品也因為經(jīng)過一個高溫過程和氫氣處理的過程使得α-Fe2O3表面缺陷得到了有效的改善，也使其近表面區(qū)域具有合適的處理深度。這樣我們就可以在其表面做其他各種修飾（比如沉積Co-Pi等），從而進(jìn)一步改善納米氧化鐵的光催化性能。在我們的工作當(dāng)中，我們所合成的AB處理氧化鐵在1.23 Vvs.RHE能達(dá)到2.12 mA/cm2。這是一個無摻雜情況下的非常高的光電流。此外，這種方法處理得到的樣品可以很好的與

6、后續(xù)處理進(jìn)行疊加，獲得高性能樣品。例如在納米氧化鐵的表面沉積一層Co-Pi，其光電流密度在1.23 Vvs.RHE能達(dá)到2.61 mA/cm2，而且它的起始電壓也大大降低了(只有0.62 V vs.RHE)。這一重大的研究成果對于未來在光解水領(lǐng)域的研究而言具有開拓性的意義。
　　此外，在本論文的第四章工作中，我們還通過利用不同的方式對α-Fe2O3的表面進(jìn)行處理，一種是利用王水(HCl∶HNO3=3∶1)對α-Fe2O3表面進(jìn)行處