[发明专利]一种锌修饰三氧化钨薄膜光电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锌修饰三氧化钨薄膜光电极的方法，属于无机光电材料制备工艺技术领域。具体涉及一种在模拟太阳光下具有较高的光电流和对染料具有高的光电催化活性的锌修饰三氧化钨薄膜光电极的制备方法。

背景技术

随着世界人口的增长和人们对物质生物水平的要求越来越高，人类对能源的依赖程度和需求量迅速增加，导致了地球上化石燃料储存量的剧烈下降，并产生了严重的环境问题。因此开发高效率、低能耗、清洁、能够实现工业化生产的能源转换和污染处理技术是各国政府和科学家们所追求和关注的目标。经过40余年来的研究和探索，科学家们把目光集中在了半导体这类具有优异的光吸收性能和稳定的物理化学性能材料上。1972年日本学者Fujishima和Honda采用单晶n-TiO₂进行太阳能光催化分解水制氢的成功，揭开了半导体光催化研究的序幕，也使人们意识到太阳能转换为电能和化学能的应用前景。随后，Carey等于1976年报道了在紫外光的照射下，TiO₂悬浊液中的多氯联苯经半小时即可全部脱氯，自此，半导体光电极分解水制氢和光催化氧化应用于水污染处理领域引起众多科研工作者的广泛关注。

目前，在光电极材料领域研究最多的是二氧化钛(TiO₂)，但TiO₂属于宽禁带半导体，其禁带宽度(Eg)为3.2eV，相应的光吸收边带为400nm，只有当能量大于或等于Eg的光照射到TiO₂时，才能够产生电子-空穴（e^--h⁺）对，所以对太阳光的利用仅限于紫外区，而到达地球的紫外光部分仅占太阳光的3%-4%，很大程度的限制了TiO₂在实际生产生活中的应用。另外研究比较多的半导体材料是三氧化钨(WO₃)，早在1976年，Hodes 等已经在Nature杂志上发表文章证明WO₃和TiO₂一样可以作为光催化剂用于光电化学制氢。WO₃不仅具有廉价、无毒、稳定等物理化学性质方面的优点，而且具有很强的光电响应能力。尽管WO₃具有以上优点，但在实际研究应用中，WO₃存在两大制约问题。第一，WO₃禁带宽度为2.5ev-2.8ev，相应的光吸收边带为440nm-500nm，依然限制了它对到达地球表面太阳光的利用；第二，WO₃中激子扩散长度比较短，e^-和h⁺只能在有限空间内移动，造成e^--h⁺对的复合率很高，相应的光电转换效率(IPCE)很低。

为了提高WO₃的光电化学性能，修饰是一种重要的手段。通常所采用的修饰方式有：(1) 在WO₃上负载贵金属单质，如Pt，Ag，Au, Pd等，但显然贵金属比较昂贵，不利于大规模生产；(2)在 WO₃体内掺杂适量的金属离子或非金属离子，这种方法成本相对比较低，但原子掺杂量不易控制，并且当掺杂量高时，反而会引入更多的氧缺陷，造成电子-空穴对复合效率更高；(3)将WO₃与其他半导体材料复合，这种方法利用半导体间的能带结构特点，通过电子或空穴的转移，使电子-空穴的得到有效分离。本发明即采用第(3)种修饰方式，具体方法是以Zn(NO₃)₂为原材料，采用浸渍法将锌离子均匀分散于氧化钨薄膜上，经过热处理，最后得到ZnO/WO₃复合薄膜光电极材料。此种方法简单、易操作，且成本低廉，参数易控制。Zn修饰WO₃后在WO₃的表面形成了一层ZnO薄膜，由于ZnO的价带位置与WO₃相比更负，当光照射到薄膜电极时，WO₃价带上的光生空穴在电场力的作用下会流入ZnO的价带中，从而抑制了WO₃光生电子和空穴的复合，达到了提高光电转换效率和光电催化能力的目的。

背景技术参考文献

[1]    Fujishima, A.; Honda, K. Nature, 1972, 238(5358): 37-38.