Cu2O复合薄膜的制备及其光电性能研究

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Cu2O是一种禁带宽度为1.9~2.38 eV的半导体材料,具有廉价、无毒、安全等优点,在废水处理方面具有潜在应用。基于光生电子和空穴的复合为制约Cu2O光催化效率的主要因素,可将Cu2O与宽带隙半导体进行耦合,形成具有高催化效率的Cu2O复合结构。不但可以将宽带隙半导体的光响应范围从紫外区拓展到可见区,提高太阳光的利用效率,同时可将Cu2O产生的光生电子迅速转移,减小Cu2O上空穴-电子对的复合几率以改善其催化效率,在光催化降解废水领域有着不可估量的应用前景。本文采用电化学沉积法在ITO导电玻璃上制备了Cu2O薄膜及其复合薄膜,通过XRD、XPS、SEM、PL和UV-Vis对薄膜的微观结构、表面形貌和光学特性进行了表征和分析,同时对其光电性能进行了研究,具体研究内容如下:(1)电沉积Cu20的成核与生长机理研究。研究结果表明,Cu2O电沉积过程是不可逆的扩散控制过程,电解液浓度对Cu2O在ITO表面的沉积过程的成核机理影响较为明显,其中在15mmol/L Cu(AC)2下Cu2O的成核过程符合瞬时成核理论模型。成核机理对Cu2O的结构形貌及其光电性能有着显著的影响。瞬时成核机理下得到的Cu2O具有更高的载流子浓度(4.9× 1022cm3)及更强的光致发光性能,而且表面电阻更小。与连续成核机理相比,在瞬时成核机理下制备的Cu2O表现出更为规整的形貌结构和更为优异的光电性能。(2)Cu2O薄膜的制备及性能研究。研究了酸和碱体系下制备的Cu2O薄膜的结构与性能,不同体系下制备的Cu2O薄膜纯度较高,均表现为赤铜矿结构,禁带宽度没有明显差别,但其形貌结构和导电类型不同;酸性体系下所制备的的Cu2O薄膜表现为n型半导体,在光照条件下出现正的光电流脉冲,碱性体系下的Cu2O薄膜表现为p型半导体,在光照条件下出现负的光电流脉冲。n型Cu2O薄膜具有更高的载流子浓度,开路电压及光电流强度。枝晶形Cu2O薄膜对葡萄糖有着电催化性能。同时研究了Cu2O薄膜的电流响应性能,并得到线性方程:J(mA·cm·-2)=-0.129C(mg·L-1)-0.301(R2=0.997),其线性范围为:1~20 mg·L-1(5.55~111.01umol/L),灵敏度为:35.39 mA·cm-2·mM-1。对葡萄糖的响应迅速,抗干扰性能优越,性能稳定。(3)P-N Cu2O复合薄膜的制备及光电性能研究。研究结果表明,应用不同导电类型的Cu2O薄膜复合制备的P-N Cu2O复合薄膜纯度较高,没有杂质;经过估算S13-Cu2O薄膜禁带宽度最小(2.031 eV),S13-Cu2O复合薄膜在400~640 nm的看见光区表现出强率,对可见光区的强吸收度可以更加充分的吸收太阳光;S13-Cu2O薄膜的平带电位最负(0.194V),并且光致发光强度最强,S13-Cu2O薄膜理论上具有更高的光催化性能。通过对次甲基蓝的降解得出S13-Cu2O薄膜确有最好的降解效果,将其应用在氯氟吡氧乙酸降解,3h后催化降解率可达89.0%;重复利用10次后,对氯氟吡氧乙酸的光催化降解率还能达到75%以上。Cu2O复合薄膜表现出了更好的催化性能及重复利用性。(4)Cu2O/ZnO复合薄膜制备及光催化性能研究。研究了不同工艺制备的Cu2O/ZnO复合薄膜的性能,研究结果表明,复合电沉积得到的Cu2O/ZnO纯度较高,禁带宽度为2.40 eV,薄形貌成蓬松堆积片层结构,片层的大小在2um左右,厚度50-100nm左右,Cu2O圆球晶粒在片层结构上致密堆积;Cu2O/ZnO复合薄膜对氯氟吡氧乙酸具有较好的降解效果,3h催化降解率可达91.2%。
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