氧化亚铜薄膜的电沉积及其光电化学研究开题报告

1. 研究目的与意义

随着化石燃料的大量开发，地球上的自然能源储备越发紧张。传统的风能发电，水利发电等不足以满足大规模能源需求。为了寻找更合适的化石燃料替代品，人们将目光转移到了清洁高效的氢气和烃类燃气上，传统制备氢能方法中主要包括天然气制氢、煤制氢、甲醇，这些传统工艺仍然需要消耗不可再生资源，并不是长久之计^[1]，并且氢气制备难度大、成本高、能源消耗大，天然烷烃燃气储备有限等因素成为了普及的障碍，因此，世界各国将目光放在太阳能的开发和利用上，研究如何利用太阳能高效地完成电解水制备氢气和co₂还原成为当今清洁能源领域的一个重要课题。

例如，光电化学法可通过半导体在光催化的条件下进行高效制氢、二氧化碳转化为烃来实现不消耗不可再生资源的方法。首先，光电化学制氢，是半导体光催化剂分解水成为氢气和氧气的过程。半导体电极浸入电解液中，半导体和电解液界面处可以被认为形成了类似肖特基结的接触，从而在半导体表面附近形成空间电荷区，电子在光催化过程中，光对半导体光催化剂的照射引起对导带(cb)电子的激发和价带(vb)空穴的产生。随后，这些电子和空穴分别水中参与还原和氧化反应，并分别产生超氧化物阴离子和羟基自由基。然后这些自由基物种进一步参与降解和其他过程^{[2, 3]}最终形成氢气和氧气。转化co₂的方法包括热化学、生物化学、光电化学等，从还原难易程度来考虑，光电化学无疑是最好的选择之一，因为其可以在常温常压下进行、产物种类多样，且可利用可再生分布式能源。但目前要实现co₂的高转化还有很多挑战。霍景沛等人^[4]提出co₂还原研究的核心是催化剂，它是决定co₂还原过程得以应用的重要因素之一，因此，探索和开发各种潜在的高效催化剂是当今重要的研究方向。

光电化学材料要求有合适的半导体带隙、能带位置、高稳定性、高催化活性以及低廉的成本。高效的光催化材料需要满足带隙与太阳光谱匹配、导价带能级与反应物电极电位匹配、高量子效率和光化学稳定等性能要求^[5]。目前，传统的光电材料主要包括硅基材料、化合物半导体材料如砷化镓(gaas)和磷化铟(inp)等，但是这些材料普遍存在价格高、不易获取等缺点，这严重限制了光电材料的应用和发展。但是目前光电化学转换存在以下几个问题：1）合适的半导体材料较少；2）光电转换的效率较低；3）稳定性不佳。氧化亚铜在自然界蕴藏极为丰富，成本具有优势。氧化亚铜禁带宽度约2.17ev，理论上可以吸收可见光来进行光催化和光电转换：其理论最高光电转换效率可达18％^[18]。cu₂o应用在光电领域的报道很多，不同微观形貌的cu₂o对于其光电性能的影响也非常显著^[7]。因此，可选用p-型cu₂o半导体薄膜作为研究对象，以下为相关制备方法：

2. 研究内容和预期目标

探索并确定电沉积法合成氧化亚铜薄膜的最佳实验条件，研究材料的催化反应 性能。具体研究内容包括：

(1)以fto导电玻璃为衬底，以电化学法通过调节电解液的各项数值制备氧化亚铜薄膜：

(2)调节电极电势、电流密度控制薄膜的成核以及生长，实现薄膜的物相和形貌控制，并用元素掺杂等方式提高其稳定性；

3. 研究的方法与步骤

常见氧化亚铜薄膜材料的合成方法主要有溶胶凝胶法、热氧化法、水热法、气相沉淀法、电化学沉积法等。

本实验使用的方法和步骤如下：

(1).采用fto导电玻璃衬底，以电化学法制备氧化亚铜薄膜，通过调节电解液的浓度、ph值、温度、配体浓度；(2).调节电极电势、电流密度控制薄膜的成核以及生长，实现薄膜的物相和形貌控制；(3).利用超薄的nio修饰界面，得到稳定的半导体；(4).通过退火处理改善薄膜的性能。(5).利用x-射线衍射分析薄膜的晶体结构、扫描电镜表征薄膜的形貌、紫外可见吸收光谱测定半导体的带隙、通过光电化学测试薄膜的光电流极化曲线、以及能带位置；(6).并探索光照条件下薄膜的co₂光电响应行为。

4. 参考文献

[1]. 王帅男等, 氢能开发及制备方法的选择. 化工管理, 2020(07): 第134-135 151页.

[2]. 蔡昊源, 电解水制氢方式的原理及研究进展. 环境与发展, 2020. 32(05): 第119-121页.

[3]. 杨运嘉, 光电化学制氢. 云南化工, 2001. 28(4): 第26-28页.

5. 计划与进度安排

（1）第0周~第2周：查阅文献资料，撰写开题报告；

（2）第3周~第5周：设计实验步骤及工艺；开展部分cu₂o薄膜沉积实验；外文论文翻译，论文前言部分的撰写；

（3）第6周~第8周：完成相关对照电解液、ph值影响实验；