氧化温度对阳极氧化法制备WO3薄膜光阳极的影响.doc

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1、氧化温度对阳极氧化法制备WO3薄膜光阳极的影响蔡君瑶，丁忠礼，林敬东*收稿日期：2015-04-13基金项目：国家重点基础研究(973)计划(2011CBA00508)；国家基础科学人才培养基金项目(NFFTBS)(J1310024)通讯作者：林敬东，Email:jdlin@xmu.edu.cn;，吴安安*通讯作者：吴安安，Email:ananwu@xmu.edu.cn;，廖代伟（厦门大学化学化工学院，固体表面物理化学国家重点实验室，醇醚酯化工清洁生产国家工程实验室，物理化学研究所，福建厦门361005）摘要：采用阳极氧化法，

2、以含0.7%(质量分数)NH4F，浓度为1mol/L的(NH4)2SO4溶液为电解质制备WO3薄膜光阳极，研究了阳极氧化温度对纳米多孔WO3薄膜光阳极的结构、形貌和光电化学性能的影响。光电化学性能评价发现，0℃下制备的WO3薄膜光阳极具有最高的光电流（2.14mA/cm2，1.0V(vsSCE)）；随着氧化温度升高至5℃和10℃时，光电流减小到1.73和1.44mA/cm2；然而当氧化温度继续升高到15℃时，光电流反而增加到1.97mA/cm2（1.0V(vsSCE)）。采用X射线粉末衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）对

3、WO3薄膜光阳极的结构和形貌进行表征。结果表明，氧化温度对WO3薄膜光阳极的结构形貌有着重大影响，较低温下氧化制备的WO3薄膜光阳极具有较高的光吸收面积和较窄的孔边界，因而0℃下制备的WO3薄膜光阳极具有最高的光电流。然而当温度升高至15℃时尽管此时WO3薄膜光阳极的光吸收面积不大，孔边界较厚，但是此时WO3薄膜光阳极具有较高的结晶度，可有效地促进光生电子和空穴的分离，提高光电化学性能。关键词：WO3；光电化学；阳极氧化温度；温度；结构；形貌；中图分类号：O643文献标志码：A21世纪以来，能源短缺和环境污染是阻碍人类社会可持

4、续发展、经济社会进步的两个关键因素。开发利用可再生资源，改善环境、优化资源结构迫在眉睫[1]。太阳能是绿色、清洁、无污染、资源丰富、分布广泛、可直接利用的资源。利用光电化学技术直接利用太阳能转换为其他形式能源，是缓解能源问题、解决环境问题的有效途径[2-4]。WO3作为n型半导体，其禁带宽度约为2.6eV。相比TiO2（禁带宽度为3.2eV），WO3具有较窄的禁带宽度，其具有更宽的光响应范围，在高效利用太阳能方面具有一定的优势，吸引了众多课题组的研究，已广泛应用于光电化学领域[5-7]。WO3具有无毒无害、抗光腐蚀性及在酸性条

5、件下稳定的优点。除此之外，WO3的空穴扩散层长度较长，约为150nm[8]，有利于光生电子与空穴更有效的分离。在光电化学反应体系过程中，半导体材料的光吸收能力和光生电子-空穴的分离能力是影响反应光电转化效率的关键因素[9-11]。为了制备高效的WO3薄膜光阳极，报道研究了不同的制备方法，包括溶胶凝胶法[12-14]，化学气相沉积法[15-17]，水热法[18-20]，热蒸发法[21-22]，溅射法[23-24]，电化学氧化技术[25-27]等。在这些方法中，采用阳极氧化钨片的方法制备的WO3薄膜光阳极不仅具有更好的导电能力，有

6、利于光生电子-空穴的分离与传递；并且拥有高比表面积的纳米结构形貌，有利于对光的吸收利用。目前，已有文献报道了采用阳极氧化法制备的如海绵状[28]、蠕虫状[29]、纳米球状[30]、纳米多孔状[31]等不同形态结构的WO3薄膜光阳极，其中纳米多孔的WO3薄膜光阳极因为其较好的光电化学性能和可控的结构受到了广泛的关注。然而阳极氧化过程受很多复杂因素的影响，如：氧化电压、氧化时间、电解质溶液的组成、氧化温度等。不同的阳极氧化工艺条件会对WO3薄膜光阳极的结构和形貌产生很大的影响。因此，制备有序可控的纳米多孔WO3薄膜光阳极仍然是一项

7、挑战[32-33]。WO3薄膜光阳极的制备条件、结构、形貌和性能之间的关系仍有进一步研究的空间。我们知道，在含氟溶液中制备纳米多孔WO3薄膜光阳极是一个动力学平衡的过程，而阳极氧化温度是影响平衡状态的一个重要因素。本文拟开展研究阳极氧化温度对WO3薄膜光阳极形貌、结构和性能的影响，旨在制备出更加高效的WO3薄膜光阳极，并且对WO3薄膜光阳极的制备条件、结构、形貌和性能之间的构-效关系有一个更为深入的理解。1材料与方法1.1材料本实验中用到的所有试剂均为国产分析纯试剂。所有的水溶液均是采用去离子水配置而成。1.2WO3纳米多孔薄

8、膜光阳极的制备采用阳极氧化法制备WO3薄膜光阳极。阳极氧化前，先将钨片（纯度为99.5%，厚度为0.4mm）用线切割仪切割成规格为25mm×10mm的钨片，用砂纸（金相砂纸，W5(06)，粒度：1200目）打磨钨片，使其表面光滑、呈亮银白色，以除掉表面钝化的氧化物，然后依次用