摘要：近年来，随着化石燃料资源的日渐枯竭以及环境污染不足，转化太阳能的转化和利用技术，广受关注。每年太阳辐射投射到地球上的能量为3.78×1024焦耳，按功率：超过120,000TW；而全球每年消耗的能量约为15TW，前者约为后者的10,000倍，远远超过全球年消耗量。这其中的一种环境友好型技术就是：利用太阳能，结合光催化材料，在电驱动下，电解液环境中制备得到氢气（PEC H_2generation）。此类技术是将太阳能转化成化学能，以获得清洁的化学燃料。我们的工作就是着眼于PEC H_2generation，利用化学气相沉积（CVD）的策略，制备几种全色的杂化光电极。太阳辐射的能量，5%在紫外（UV）区域；约43%在可见光（visible pght）范围；52%集中在红外（IR）频段。常见的宽禁带半导体材料，响应的都是UV区域的太阳光。现今工作热点主要集中在：采取一些策略，例如敏化剂（如CdS， CdSe， CdTe， Bi_2S_3，PbS， InP量子点等，或染料P3HT， N719等）敏化，或对宽禁带半导体进行掺杂处理等，将其感光范围以UV敏化到可见光区域，以而利用更多的太阳能。即使这样，也还有近一半IR部分的太阳能未被利用。我们正是基于这样的理由，采取带隙更窄的PbSe, Bi_2S_3纳米颗粒，加上CdS纳米颗粒中间层和对TiO_2晶格进行渗氮（N doping）两种处理方式，来共同敏化TiO_2纳米棒阵列光电极，以期利用IR部分的太阳能。这样做的理由是：窄带隙的金属硒化物（Bi_2S_3，PbSe， CdSe）纳米颗粒直接与TiO_2连接时，可能无法与TiO_2的带隙匹配形成type II带边连接，以而影响光生电子的转移。在Lee等人工作（Chem. Mater.,2010）的启发下，我们引入上面陈述的两种措施，共同调整光电极的带隙连接结构，使之首先能工作起来。我们在评估新制备的光电极PEC性能的同时，也按照Lee（Chem. Mater.,2010）提供的策略，对其带隙的连接结构类型进行判断。现将我们工作的主要内容总结如下：（1）参照文献提供的策略，在氟掺氧化锡透明导电玻璃（FTO）衬底上，水热合成大面积（2.5cm×5cm）的，形貌均匀，长度可控的TiO_2纳米棒阵列，并将之组装成光电极（TiO_2）。（2）将TiO_2纳米棒阵列，在NH3和Ar混合气氛退火，制备渗氮的TiO_2纳米棒阵列，并将之组装成光电极（N TiO_2）。（3）利用物理气相传输（PVT）策略，将CdS原位沉积到TiO_2/N TiO_2纳米棒阵列表面，制备CdS纳米颗粒敏化的TiO_2/N TiO_2纳米棒阵列光电极（①CdS/TiO_2；②CdS/N TiO_2）。（4）采取CVD策略，以CdS和Se混合粉末为原料，合成CdS_xSe_y纳米颗粒。并将之原位沉积到衬底上，制备CdS_xSe_y纳米颗粒敏化的TiO_2/N TiO_2纳米棒阵列光电极（①CdS_xSe_y/TiO_2；②CdS_xSe_y/N TiO_2）。（5）采取CVD策略，以碘化铋（BiI3）和Se粉混合粉末为原料，合成Bi2_Se_3纳米颗粒。并将之原位沉积到衬底（TiO_2/CdS敏化的TiO_2纳米棒阵列）上，制备①Bi2_Se_3敏化的TiO_2纳米棒阵列光电极（Bi2_Se_3/TiO_2）。②Bi2_Se_3和CdS纳米颗粒共敏化的TiO_2纳米棒阵列光电极（Bi2_Se_3/CdS/TiO_2）。（6）采取CVD策略，以碘化铅（PbI2）和Se粉混合粉末为原料，合成PbSe纳米颗粒。并将之原位沉积到衬底（TiO_2/CdS敏化的N TiO_2纳米棒阵列）上，制备①PbSe敏化的TiO_2纳米棒阵列光电极（PbSe/TiO_2）。②PbSe和CdS纳米颗粒共敏化的N TiO_2纳米棒阵列光电极（PbSe/CdS/N TiO_2）。（7）最后两种光电极（Bi2_Se_3/CdS/TiO_2、PbSe/CdS/N TiO_2）的制备，是基于全色（全光谱）吸收太阳能（panchromatic pght harvesting）的目的。即，TiO_2吸收UV光；CdS吸收可见光；而窄带隙的金属硒化物吸收近红外（Near IR）区域的太阳能。（8）通过利用Lee等人提供的策略（Chem. Mater.,2010），对这两种新制备的光电极进行浅析。结果表明，在CdS纳米颗粒中间层，及对TiO_2进行氮掺杂的作用下，体现出type II带边连接结构特点，利于光生电子的传输，为后续工作打下了基础。关键词：水热合成论文TiO_2纳米棒阵列论文渗氮TiO_2论文纳米棒阵列论文硒硫化镉论文硒化铋论文硒化铅论文Photoelectrochemistry/PEC论文光电极的带隙结构论文
摘要4-7
Abstract7-13
1 绪论13-70
1.1 探讨背景13-22
1.2 光电极相关的效率计算方式及相关的测量原则22-37
1.3 半导体量子点材料和合成策略37-58
1.4 影响光电极效率的具体不足[19]58-61
1.5 利用电化学策略对 TiO_2纳米棒阵列复合光电极的带隙连接类型进行判断的策略61-67
1.6 本工作的探讨目的、作用和主要内容67-70
2 CVD 策略制备CdS_xSe_y纳米颗粒敏化的TiO_2 /N-TiO_2纳米棒阵列光电极及其PEC性能70-108
2.1 TiO_2 纳米棒阵列光电极的制备及其 PEC 性能70-79
2.2 N-TiO_2纳米棒阵列光电极的制备及其 PEC 性能79-89
2.3 CdS /TiO_2 及CdS /N TiO_2纳米棒阵列光电极的制备及其 PEC 性能89-97
2.4 CdS_xSe_y/TiO_2及CdS_xSe_y/N TiO_2纳米棒阵列光电极的制备及其PEC 性能97-106
2.5 本章小结及各光电极 PEC 性能的综合比较106-108
3 CVD 策略制备Bi_2Se_3 纳米颗粒，Bi_2Se_3 与 CdS 纳米颗粒共敏化的TiO_2 纳米棒阵列光电极（Bi_2Se_3 / CdS /TiO_2），其 PEC 性能以及带隙连接情况108-122
3.1 Bi_2Se_3 纳米材料的性质及常见的制备情况介绍109-111
3.2 Bi_2Se_3 纳米颗粒及Bi_2Se_3 纳米颗粒敏化的系列光电极的制备111-113
3.3 Bi_2Se_3 纳米颗粒敏化的光电极的表征113-116
3.4 Bi_2Se_3 / CdS /TiO_2系列光电极的 PEC 性能及带隙连接情况116-119
3.5 本章小结119-122
4 CVD 策略制备 PbSe 纳米颗粒， PbSe 与CdS 纳米颗粒共敏化的N TiO_2纳米棒阵列光电极（PbSe / CdS /N TiO_2），其 PEC 性能以及带隙连接情况122-136
4.1 PbSe 纳米材料的性质及常见的制备情况介绍122-125
4.2 PbSe 纳米颗粒及 PbSe 纳米颗粒敏化的系列光电极的制备125-126
4.3 PbSe 纳米颗粒敏化的光电极的表征126-130
4.4 PbSe / CdS /N TiO_2系列光电极的 PEC 性能及带隙连接情况130-134
4.5 本章小结134-136
5 全文总结与展望136-141
5.1 本论文的主要探讨结果136-138
5.2 本论文的革新之处138-139
5.3 下一步的工作展望139-141
致谢141-142
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