研究目的
采用三种不同的氧氮化物材料,对基于颗粒和薄膜的光催化剂进行光电化学太阳能水分解的对比研究。
研究成果
基于颗粒的光阳极由于具有更大的表面积和更好的光吸收能力,表现出更高的绝对光电流密度,但薄膜在电荷载流子分离和迁移率方面因更优的形貌特征而具有优势。在归一化表面积和吸光度后,薄膜的性能相当或更优。薄膜因其明确的表面和可控的特性,是基础研究的理想模型系统。未来的工作应探索结合两种方法,例如在三维纳米结构上生长薄膜。
研究不足
该研究使用未添加助催化剂的裸半导体,与优化系统相比可能限制性能。薄膜的比表面积和吸光度低于颗粒,影响绝对光电流。薄膜的化学成分偏离理想化学计量比,可能影响其特性。比较基于特定合成方法(颗粒采用电泳沉积法,薄膜采用脉冲反应激光化学气相沉积法),采用其他技术时结果可能不同。
1:实验设计与方法选择:
本研究比较了由LaTiOxNy、BaTaOxNy和CaNbOxNy氧氮化物制成的颗粒型和薄膜型光阳极??帕P凸庋艏ü缬境粱‥PD)制备,粉末原料由前驱体氧化物经热氨解合成;薄膜则采用脉冲反应交叉束激光烧蚀(PRCLA)技术在TiN缓冲的MgO衬底上沉积。通过三电极体系进行光电化学(PEC)测试以评估光活性。
2:样品选择与数据来源:
氧氮化物粉末由前驱体氧化物(La2Ti2O7、Ba5Ta4O15、Ca2Nb2O7)经固相反应和氨解合成。薄膜生长于(001)取向MgO衬底上的TiN缓冲层。
3:Ba5Ta4OCa2Nb2O7)经固相反应和氨解合成。薄膜生长于(001)取向MgO衬底上的TiN缓冲层。 实验设备与材料清单:
3. 实验设备与材料清单:设备包括X射线衍射仪(布鲁克-西门子D500)、扫描电镜(蔡司Supra VP55)、紫外-可见分光光度计(Cary 500 Scan)、BET比表面积分析仪(Quantachrome Nova 2200)、卢瑟福背散射/弹性反冲探测分析装置、用于PLD和PRCLA的KrF准分子激光器、电化学界面(Solartron 1286)、氙弧灯(Newport 66477)、光电探测器(Gentec-EO)及轮廓仪(Veeco Dektak 8)。材料包含FTO衬底、TaCl5、NH3气体、NaOH电解液及多种化学前驱体。
4:0)、扫描电镜(蔡司Supra VP55)、紫外-可见分光光度计(Cary 500 Scan)、BET比表面积分析仪(Quantachrome Nova 2200)、卢瑟福背散射/弹性反冲探测分析装置、用于PLD和PRCLA的KrF准分子激光器、电化学界面(Solartron 1286)、氙弧灯(Newport 66477)、光电探测器(Gentec-EO)及轮廓仪(Veeco Dektak 8)。材料包含FTO衬底、TaClNH3气体、NaOH电解液及多种化学前驱体。 实验流程与操作步骤:
4. 实验流程与操作步骤:颗粒型:合成氧化物→氨解制备氧氮化物→电泳沉积光阳极并后颈处理;薄膜型:PLD沉积TiN缓冲层→PRCLA生长氧氮化物薄膜。表征手段包括XRD、SEM、RBS/ERDA、UV-Vis、BET。在0.5 M NaOH溶液中光照条件下进行PEC测试。
5:5 M NaOH溶液中光照条件下进行PEC测试。 数据分析方法:
5. 数据分析方法:XRD用于结构分析,RBS和ERDA用于成分分析,Tauc图确定带隙,BET测定比表面积,稳态光电流密度通过PEC中的恒电位扫描获得。
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X-ray Diffractometer
D500
Bruker-Siemens
Structural characterization of powders and thin films using Cu Kα radiation.
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Scanning Electron Microscope
Supra VP55
Zeiss
Investigation of morphologies of thin films and particle-based photoanodes.
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UV-Vis-NIR Spectrophotometer
Cary 500 Scan
Agilent
Measurement of transmittance and reflectance for absorbance determination.
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Stylus Profilometer
Dektak 8
Veeco
Measurement of thicknesses of thin film samples.
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BET Surface Area Analyzer
Nova 2200
Quantachrome
Determination of surface area of oxynitride powders at 77 K.
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Electrochemical Interface
1286
Solartron
Acquisition of photocurrent measurements in PEC setup.
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Xe Arc Lamp
66477
Newport
Illumination source for PEC measurements with AM 1.5G filter.
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Photodetector
Gentec-EO
Calibration of light intensity from Xe arc lamp.
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KrF Excimer Laser
Ablation for PLD and PRCLA depositions.
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