高穩定性氧化亞銅薄膜的製備及其光電化學性能研究

《高穩定性氧化亞銅薄膜的製備及其光電化學性能研究》是依託西北大學，由楊鷹擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高穩定性氧化亞銅薄膜的製備及其光電化學性能研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：楊鷹
• 依託單位：西北大學

項目摘要

氧化亞銅（Cu2O）是一種禁頻寬度為2.0 eV的p型半導體材料，在太陽能光分解水中非常具有套用潛力，但是由於熱力學和動力學方面的原因，其在水溶液中光電化學反應時的材料穩定性很差。本項目利用電化學沉積方法製備納米立體結構的Cu2O薄膜或者Fe（或Ag等）摻雜的Cu2O薄膜，通過提高薄膜立體結構的比表面積或改變摻雜Cu2O的半導體性質兩種途徑，促進光生電子從半導體向電極/溶液界面的高效傳遞，抑制電子用於還原Cu2O，從動力學角度增強Cu2O薄膜在水溶液中的光電化學反應時的材料穩定性。同時利用光電化學方法（如強度調製光電流譜等）對光生載流子的傳遞、分離和表面反應進行動力學行為研究。通過對兩種途徑製備的Cu2O薄膜性能比較分析，獲得具有最佳穩定性的Cu2O薄膜並闡明其作用機理。本項目旨在為製備高壽命的光電化學分解水材料提供科學有效的解決方案，為半導體電極在太陽能光分解水套用中的研究提供理論支持。

結題摘要

氧化亞銅（Cu2O）是一種禁頻寬度為2.0 eV 的p 型半導體材料，在太陽能光分解水中非常具有套用潛力，但是由於熱力學和動力學方面的原因，其在水溶液中光電化學反應時的穩定性很差。 在本項目中，通過在p型Cu2O薄膜中製備微量金屬Cu，提高了Cu2O薄膜的光電化學反應穩定性。結果表明含有微量Cu的p型Cu2O的光電化學穩定性在開路情況下可達到99.23%，在-0.5 VAg/AgCl的偏壓下可達到86.34%，兩種情況下的光電化學穩定性都遠高於含有微量Cu的n型Cu2O和純的p型Cu2O。Cu是非常好的電子導體，在p型Cu2O薄膜中製備微量金屬Cu，有利於光生電子從半導體內部向電極/溶液界面輸運，以用於還原水溶液中的H+，而不是還原Cu+離子自身，從而提高了p型Cu2O的光電化學穩定性。 本項目還進行了在固定pH值的酸性溶液中，套用表面活性劑SDS控制電沉積Cu2O的導電類型和薄膜的晶粒尺寸的工作。結果表明，隨著SDS在電鍍液中濃度的增加，Cu2O 平均晶粒尺寸增大，Cu2O 薄膜由n型導電轉變為p型導電。當SDS濃度低於0.85 mM時，電沉積製備的Cu2O 薄膜表現出n型導電行為。當SDS濃度高於1.70 mM時，電沉積製備的Cu2O 薄膜表現出p型導電行為。SDS分子吸附在電極表面占據了Cu2+離子的沉積位置，同時SDS膠束吸附電鍍液中Cu2+離子阻礙其向電極擴散，通過這兩種作用來控制Cu2+離子的沉積速率，從而在電沉積過程中影響氧空位或銅空位的形成。 本項目進而研究了在同一pH和同一SDS濃度的電鍍液中通過控制沉積電勢來控制Cu2O薄膜的半導體導電類型。結果表明，在含有3.3 mM SDS的0.05 M醋酸銅溶液中，如果沉積電勢在0~0.05 V vs. Ag/AgCl，製得的Cu2O薄膜表現為n型導電。這是由於在超電勢不大的情況下，溶液中Cu2+的擴散能夠滿足Cu2O薄膜的生長，所以薄膜中的缺陷以氧空位為主。當沉積電勢在-0.10 ~ -0.30 V vs. Ag/AgCl時，製得的Cu2O薄膜表現為p型導電。這是由於此時超電勢較大，溶液中Cu2+的擴散不能夠滿足Cu2O薄膜的生長，所以薄膜中的缺陷以銅空位為主。 本項目的執行，為製備高壽命的光電化學分解水材料提供了科學有效的解決方案，為半導體電極在太陽能光分解水套用中的研究提供了理論支持。