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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:黃彥維
研究生(外文):Yen-Wei Huang
論文名稱:異質結構應用於光電化學之研究
論文名稱(外文):Application of Heterostructure in Photoelectrochemistry
指導教授:徐裕奎
指導教授(外文):Yu-Kuei Heu
口試委員:陳盈竹蔡志宏
口試委員(外文):Ying-Chu ChenChih-Hung Tsai
口試日期:2023-06-20
學位類別:碩士
校院名稱:國立東華大學
系所名稱:光電工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2023
畢業學年度:111
語文別:中文
論文頁數:40
中文關鍵詞:光電化學產氫三硫化二銻
外文關鍵詞:SeleniumPhotoelectrochemicalHydrogen Production
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以氫氣作為能源,取之不盡,用之不竭,並且對環境無害。降低產生氫氣的能量消耗有利於氫燃料的應用。硒(Se)具有薄膜製備簡單、載子遷移率高、吸光性好、環境穩定等優點。因此,硒薄膜適合作為光電化學產氫的吸光材料。在本研究中,通過賈凡尼置換反應(galvanic replacement reaction)在鎳金屬片上沉積一層非晶硒薄膜作為產氫反應的光電陰極。通過線性掃描伏安法(LSV)分析,在模擬太陽光照下,光電流密度在-0.1 V vs Ag/AgCl時達到-0.2 mA/cm2。經過熱處理後,非結晶相的硒變為四方晶系,光電流密度達到-4 mA/cm2。通過旋轉塗布法進一步沉積二氧化鈦(TiO2)薄膜作為緩衝層以提高穩定性。進一步旋塗白金(Pt)顆粒裝飾,提高了穩定性和光電流密度。Pt/TiO2/Se結構的光電流密度高達-5 mA/cm2。
吸光材料不只能夠用於光電陰極,還可以用作光電陽極,選用摻氟氧化錫(FTO)用作基板,在酸性與鹼性環境中穩定,並耐高溫,在FTO薄膜上成長柱狀二氧化鈦奈米結構,可以具有高表面積,成長三硫化二銻(Sb2S3)後可以增加試片的吸光範圍。比較三硫化二銻/二氧化鈦/FTO結構中二氧化鈦的改質與否對整體的光電流密度影響,二氧化鈦/FTO的最大光電流密度由0.73 mA/cm2提升至0.8 mA/cm2。三硫化二銻/二氧化鈦/FTO的最大光電流密度由1.5 mA/cm2提升至1.8 mA/cm2,且在較低電位0.2 V vs Ag/AgCl下由0.5 mA/cm2提升至0.9 mA/cm2,有顯著的增益。
Using hydrogen as power source is inexhaustible and harmless to the environment. Reduced energy consumption for hydrogen production is helpful for the application of hydrogen fuel. Selenium (Se) has merits of simple film preparation, high carrier mobility coefficient, light absorption, and intrinsic environmental stability. Therefore, Se thin film is suitable as an absorber for photoelectrochemical hydrogen production. In this work, deposition a thin film of amorphous Se on nickel foil by galvanic replacement reaction as photocathode for hydrogen evolution reaction. By linear sweep voltammetry (LSV) analysis, photocurrent density reaches -0.2 mA/cm2 at -0.1 V vs Ag/AgCl under simulated sun illumination. After heat treatment, amorphous Se turn to tetragonal Se, photocurrent density reaches -4 mA/cm2. Further deposition a thin film of TiO2 by spin coating as buffer layer to improved stability. Platinum decoration by spin coating, improved stability and photocurrent density. Structure of Pt/TiO2/Se photocurrent density up to -5 mA/cm2.
Light-absorbing materials can be used not only as photocathodes, but also as photoanodes. Fluorine-doped tin oxide (FTO) is used as the substrate, which is stable in acidic and alkaline environments and resistant to high temperatures. Columnar TiO2 nanoparticles are grown on the FTO film. The structure can have a high surface area, and the light absorption range of the specimen can be increased after growing antimony trisulfide (Sb2S3). Comparing whether the modification of TiO2 in the structure of Sb2S3/ TiO2/FTO affects the photocurrent density, the maximum photocurrent density of TiO2/FTO is increased from 0.73 mA/cm2 to 0.8 mA/cm2. The maximum photocurrent density of Sb2S3/ TiO2/FTO increased from 1.5 mA/cm2 to 1.8 mA/cm2, and increased from 0.5 mA/cm2 to 0.9 mA/cm2 at a lower potential of 0.2 V vs Ag/AgCl. Significant gain.
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 太陽能 2
1-3 氫能源 4
第二章 理論基礎與文獻回顧 5
2-1 理論基礎 5
2-1-1 光電化學 5
2-1-2 光電化學電解水產氫 5
2-2 文獻回顧 6
2-2-1 硒 6
2-2-2 白金/二氧化鈦/硒/FTO 6
2-2-2 FTO 6
2-3 研究動機 7
2-3-1 硒薄膜用於光電化學產氫 7
2-3-2 三硫化二銻/二氧化鈦/FTO用於光電化學 7
第三章 實驗方法與步驟 8
3-1 白金/二氧化鈦/硒薄膜製備流程 8
3-1-1 鎳基板前置處理 8
3-1-2 賈凡尼置換反應沉積硒薄膜 8
3-1-3 熱處理改變結晶結構 8
3-1-4 二氧化鈦合成與沉積 8
3-1-5 白金顆粒合成與裝飾 9
3-2 三硫化二銻/二氧化鈦/FTO製備流程 10
3-2-1 FTO前置處理 10
3-2-2 成長二氧化鈦奈米柱 10
3-2-3 二氧化鈦改質 10
3-2-4 成長三硫化二銻 11
3-3 材料特性分析 12
3-3-1 場發射掃描式電子顯微鏡 12
3-3-2 X-ray繞射儀(XRD) 13
3-3-3 X射線光電子能譜儀 14
3-3-4 拉曼光譜 15
3-3-5 紫外線-可見光光譜儀 16
3-4 電化學特性分析 17
3-4-1 線性掃描伏安法 17
3-4-2 外部量子轉換效率 17
3-4-3 莫特-蕭特基量測 18
3-4-4 電化學交流阻抗頻譜分析 18
第四章 實驗結果與討論 19
4-1 白金/二氧化鈦/硒薄膜用於光電化學產氫 19
4-1-1 白金/二氧化鈦/硒薄膜之FE-SEM分析 19
4-1-2 白金/二氧化鈦/硒薄膜之XRD分析 21
4-1-3 白金/二氧化鈦/硒薄膜之XPS分析 22
4-1-4 白金/二氧化鈦/硒薄膜之紫外光-可見光光譜分析 24
4-1-5 白金/二氧化鈦/硒薄膜之拉曼光譜分析 25
4-1-6 白金/二氧化鈦/硒薄膜之線性掃描伏安法測量 26
4-1-7 白金/二氧化鈦/硒薄膜之IPCE 27
4-1-8 白金/二氧化鈦/硒薄膜之莫特-蕭特基分析 28
4-1-9 白金/二氧化鈦/硒薄膜之電化學交流阻抗頻譜分析 29
4-2 三硫化二銻/二氧化鈦/FTO用於光電化學 30
4-2-1 三硫化二銻/二氧化鈦/FTO之FE-SEM分析 30
4-2-2 三硫化二銻/二氧化鈦/FTO之XRD分析 31
4-2-3 三硫化二銻/二氧化鈦/FTO之XPS分析 32
4-2-4 三硫化二銻/二氧化鈦/FTO之紫外光-可見光光譜分析 33
4-2-5 三硫化二銻/二氧化鈦/FTO之拉曼光譜分析 34
4-2-6 三硫化二銻/二氧化鈦/FTO之線性掃描伏安法測 35
4-2-7 三硫化二銻/二氧化鈦/FTO之外部量子轉換效率 36
4-2-8 三硫化二銻/二氧化鈦/FTO之莫特-蕭特基分析 37
第五章 結論與未來展望 38
第六章 參考文獻 39
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