掺杂钛酸锶基半导体电极光电化学性能研究

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新世纪人类面临环境和能源的巨大挑战,迫切需要发展新的清洁能源,而氢能由于高能量和无污染等优点备受关注。实现太阳能产氢的关键是开发高性能光催化材料,本文采用掺Fe-SrTiO3用作光电化学分解水的电极材料,研究其开路电压、极化曲线(极化电流与极化电势关系)、有光和无光光照电流-时间(i-t)曲线和循环伏安曲线特性。采用高能球磨技术制备了钙钛矿型纳米掺铁钛酸锶(SrTi1-xFexO<sub>3-δ,x:0-1)光催化剂系列材料,XRD及TEM微观形貌分析表明样品的晶粒尺寸在30纳米以下;样品的DTA/TGA测试结果表明合成材料在25-900℃间具有良好的热稳定性。使用厚膜工艺在ITO基底上制备了SrFexTi1-xO<sub>3-δ系列光电极。对于SrFexTi1-xO<sub>3-δ系列光电极的电化学性能表征结果如下:(1)开路电压表明了电极与电解液之间的势(未接外电路也未光照的初始状态下)。开路电压最大是0.18V,相应材料是SrFe0.4Ti0.6O<sub>3-δ,开路电压最小是0.155V,相应材料是TiO2。开路电压处于中间值的材料性能突出。(2)极化曲线体现了光电极与电解液之间过电位的高低,光解水反应目的是电极相对稳定,极化电位相对小。极化电位实验结果由小到大排序为SrFexTi1-xO<sub>3-δ(x:0<0.8<0.7<0.2<0.9<0.6<0.5<0.1<0.3<1<0.4)。(3)有光和无光光照电流-时间(i-t)曲线差异表征了光生载流子产生外电路的电流大小,表征有效光生电子空穴的量子效率的高低。光生电流结果由大到小排序为SrFexTi1-xO<sub>3-δ(x:0>0.6>0.7>0.9>0.8>0.5>0.2>0.3>1>0.1>0.4)。(4)循环伏安法表征了材料的氧化还原能力,表明氢发生还原反应所需的电位及产生的电流。SrFexTi1-xO<sub>3-δ系列材料的峰电位在0.01-0.165V之间,电流在0.003-δ0.008A之间。TiO2的峰电位是-0.751V,峰值电流为0.002A。因此,SrFexTi1-xO<sub>3-δ系列材料的峰电位绝对值明显小于TiO2,峰值电流明显大于TiO2,即SrFexTi1-xO<sub>3-δ系列材料的氧化还原能力强于TiO2。综上,循环伏安法可以说明SrFexTi1-xO<sub>3-δ系列材料性能优于TiO2。通过开路电压、极化曲线和有光和无光光照电流-时间(i-t)曲线,可以进一步得到SrFexTi1-xO<sub>3-δ(x=0)的综合性能比较突出。
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