纳米多孔WO3薄膜制备及其光电性质.pdfVIP

2010年全国太阳能光化学与光催化学术会议 纳米多孑LW03薄膜制备及其光电性质 李文章“，李洁8，王旋”，张姝娟3，陈启元4 (a．中南大学化学化工学院，有色金属资源化学教育部重点实验室，长沙410083； b．沈阳铝镁设计研究院，沈阳110001) 摘要：采用阶跃加压阳极氧化法在钨片表面制备了不同结构和形貌的纳米多孔W03薄膜，利用场发 射扫描电镜和稳态光电流谱研究了其结构和光电性质。结果表明，50V电压和含0．5wt％NaF电解 质条件下获得纳米多孔W03薄膜经450℃退火后，在可见光条件下具有良好的光电性能，其光电流 密度为结晶态W03致密薄膜的4．75倍。 关键词：阳极氧化，纳米多孔薄膜，三氧化钨 相比W03纳米粉体及纳米膜，W03纳米多孔薄膜具有更大的比表面积及一维材料 的定向电子性能等优点【l弓J，因此有望进一步提高其光电转化效率和催化性能。目前虽 然可以借鉴阳极氧化法制备Ti02纳米管所获得的一些原则来指导W03纳米多孔结构的 制备，但两者之间存在较大差异，如何制备形貌规则结构良好的WO，纳米多孔膜仍需 进一步研究。另外，关于纳米多孔薄膜光电性质的研究主要集中于紫外光照射下，而较 少涉及到其在可见光条件下。本工作采用阶跃加压阳极氧化法在纯钨表面制备纳米多孔 W03薄膜，并以此为基础制成光电极器件，研究了其在可见光条件下的光电化学性质。 1．实验方法 将工业纯钨片(纯度99％)用金相砂纸逐级打磨至表面无划痕，然后依次用丙酮、无 水乙醇、蒸馏水超声清洗。室温下以预处理的钨片为阳极，Pt电极为对电极，采用 DHl719A一5型直流电源提供直流电并实施一步式阶跃加压，控制不同氧化工艺参数进行 电化学阳极氧化。使用的电解液体系为含0．5wt％NaF和1mol／L Na2S04的中性溶液。 阳极氧化后的钨片在箱式电阻炉中进行热处理，升温速率为5℃／min，450℃下保温3h 后自然冷却。 采用JEOL 公司Zennium型电化学工作站控制电位，以三电极体系中进行电化学测试，制备电极为 m01．L-1 H2S04为支持电解质。电 工作电极，对电极为Pt片，AglAgCll为参比电极，O．5 mW／cmz。 射，控制光强为100 2．结果与讨论 图la为不同制备条件的电流密度一时间曲线。当体系为无氟电解质时，通电后几秒钟 内电流密度急剧下降，此过程发生了典型场助金属氧化反应【4】。氧化物的生成导致体系 电阻增大，电流密度随时间下降，此过程在钨片表面形成了一层致密W03氧化层，如 图lb所示。当在电解质中加入0．5wt％NaF时，电流密度剧烈下降后重新上升，表明氧 化层由于F的侵蚀发生溶解导致体系电阻重新降低。此时氧化物生成和溶解反应相互竞 争，最后电流密度达到表观稳态电流，反应处于动态平衡，W03纳米多孔薄膜在此过程 基金项目：国家863项目(批准号：2007A062129)；湖南省重大科技计划项目(批准号：2008SKl001) 2010年全国太阳能光化学与光催化学术会议 形成。如图1c所示，50V电压下制得的样品为形貌规则的纳米多孔薄膜，孔径约为70～ 90 V)时，无法得到纳米多孔结构产物层(如图1d所示)。以上说 nm。当电压较低时(20 明只有在适当电压和含一定量氟电解质中才能获得纳米孔道结构。 图1不同制备条什的电流密度．时间曲线及获得的WO、薄膜 图2为可见光照射下致密和纳米多孔W03薄膜退火前后光电流一电压曲线。在暗态 条件下，所有样品电流密度都趋近于0，表明在无光照的情况下，光电极中不能发生电 子和空穴的分离而产生电流。当光照射到光电极表面时，随着电压的增加，电流密度升 高。退火后结晶态WO，薄膜所产生的光电流明显高于无定形态，而纳米多孔WO，薄膜 所产生的光电流则远高于致密膜。当电压增加到1．6V时，结晶态WO，纳米多孔膜的光 75illA]cln