论文部分内容阅读
金属氧化物作为一种重要的功能材料被广泛应用于光催化领域。ZnO是一种重要的n型宽带隙半导体材料,禁带宽度为3.37 eV,自然资源丰富、无毒、稳定,具有良好的光学、磁学、电学及压电性能。FTO为F掺杂的SnO2,一种透明导电基质,被广泛用作液晶显示屏、太阳能电池基底、光催化材料等。本文研究了在FTO基底上通过电沉积-热氧化法制备Sn掺杂的ZnO复合薄膜的光电化学性能,考察了沉积电流密度、沉积时间、镀液中添加剂聚乙二醇以及热氧化条件对ZnO薄膜光电化学性能的影响。借助扫描电子显微镜（SEM）、X-射线光电子能谱（XPS）、X-射线粉末衍射仪（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、光致发光光谱（PL）等表征手段探究了薄膜的形貌、结构和组成,在0.2 mol·L-1Na2SO4溶液中通过零偏压下的时间-电流曲线（j-t）测试了样品的光电化学性能。主要研究内容和结果如下:1、电沉积电流和时间的影响。以锌片为对电极,FTO为工作电极,沉积电流密度分别设定为1.0-9.0 mA/cm2,沉积100 s制得金属锌薄膜,在空气氛围下600℃高温氧化2 h,得到ZnO薄膜。结果表明制得的薄膜均表现出典型的n型半导体光电流特征。随着沉积电流密度的增加,制得的ZnO薄膜的光电流先增加后降低。薄膜为纳米颗粒团聚成的多孔形貌,均由ZnO相构成,且随着电流密度增加,孔道逐渐被填塞,表面纳米颗粒增大,并伴随着一维纳米针产生。当沉积电流密度为7.0 mA/cm2时,得到的复合薄膜的光电化学性质最佳。固定沉积电流密度为7.0 mA/cm2,控制沉积时间由100 s增加至400 s。随着沉积时间的增加,样品的光电流先增大后降低,表面均为纳米颗粒聚集物。沉积时间为300 s时制备的氧化物薄膜的光电流最大。因此选取沉积电流密度为7.0 mA/cm2,沉积时间为300 s作为最佳电沉积条件。2、热处理过程的影响。在100-700℃下保温2 h,随着热氧化温度增加,薄膜中的Zn相逐渐氧化转变为ZnO相,300℃时,薄膜中仍有Zn和ZnO共存。400℃以上制得的薄膜完全转化为ZnO,均为纳米颗粒构成的多孔结构。在300℃升至700℃之间,所得ZnO薄膜的光电流先增加后降低,煅烧温度为600℃制得的氧化锌薄膜光电流最佳,因此选取600℃作为最佳热处理温度。以5℃/min-80℃/min的升温速率达到600℃下保温2 h,所得薄膜的光电流随着升温速率增加而先增加后降低。升温速率为50℃/min时制备的薄膜光电流最大。不同升温速率下制备的薄膜均由ZnO和SnO2组成,薄膜由纳米颗粒和纳米针构成,且纳米针随着升温速率增加而增多。选取50℃/min升温至600℃,保温2 h作为热处理的最佳条件。3、添加剂聚乙二醇（PEG）的影响。不同PEG浓度下电沉积的Zn膜,经过热氧化得到的ZnO样品均表现为纳米颗粒聚集物伴随着纳米针结构。随着PEG浓度改变,样品的形貌和结构并未发生明显改变,但薄膜的光电流先增强后降低,PEG浓度为0.05 g/L时制备的样品光电流最大。XPS和TEM分析表明ZnO薄膜中有来自基底FTO的Sn掺杂。PL和XPS分析结果揭示,镀液中PEG浓度不同时制得的薄膜中氧缺陷及锡掺杂的量不同。