氧化亞銅奈米粉末之室溫化學合成研究及其水分解之光電化學特性

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張凱閔(KAI-MIN ZHANG) 查詢紙本館藏

畢業系所

機械工程學系

論文名稱

氧化亞銅奈米粉末之室溫化學合成研究及其水分解之光電化學特性
(Room temperature chemical synthesis of Cu2O nanopowders and their application to Photoelectrochemical water splitting)

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摘要(中)

本論文研究為室溫下以液相合成法(Liquid phase synthesis)，改變不同前驅物比重、濃度、速率監測電位之變化，觀察並調整氧化亞銅(Cu2O)粉末尺寸，隨後搭配羥丙基纖維素(Hydroxypropyl cellulose, HPC)製備電極液，以浸塗(Dipping method)方式將電極液塗佈於銦錫氧化物(Indium Tin Oxide,ITO)玻璃基板製備光電陰極應用於水分解產氫研究探討製程溫度、烘烤時間及塗層數對其腐蝕特性、電化學特性之影響。結果顯示，經由X 光繞射及掃描式電子顯微鏡觀察，隨前驅物濃度增加，可獲得平均晶粒由18 nm至59 nm，掃描式電子顯微鏡分析所有樣品為球型結構之氧化亞銅粉體。經紫外光-可見光光譜分析，最大吸收峰位於675 nm 之可見光波段。由光電化學測試結果可知，Cu2O 光電極最佳製程參數為250 ℃持溫15 分鐘，而塗佈四次有較佳光電流(-0.065mA/cm2)，經由Mott-Schokkty 量測，塗佈四次之光電極有最小斜率(1.97×1017)代表其載子濃度較高。經由電化學阻抗頻譜
(Electrochemistry ImpedanceSpectroscopy, EIS)，塗佈四層之光電極可獲得最小阻抗之趨勢。由抗蝕性分析開路電位(Open circuit potential, OCP)、塔佛曲線(Tafel)可知，塗佈四次之光電極之試片具有最佳抗蝕性。

摘要(英)

In this study, we attempted prepare Cu2O nanoparticles by liquid phase synthesis and fabricated them on Sn: In2O3 glass substrates as photocathode for photoelectrochemical (PEC) water splitting application via dipping method.
Effect of percusor concentration on microstructural and optical proprties of Cu2O powder were investigated. On the ther hand, the dipping parameters (i.e.,
heating temperature, heating time and layers) of Cu2O photocathode also were discussed. Result from X-ray diffraction patterns, all sample were revealed the
Cu2O phase. The Cu2O nanoparticles were affected by percusor concentration, the average particle size were increased from 18 to 59 nm with increasing
percusor concentration. UV-vis. absorbance spectra shown all samples have an absorption peak at 675 nm wavelength in visible region. From fabrication of photocathode, the optimized dipping process conditions was 250 oC for 15min
and four dipping times. Base up our observation, the four dipping times Cu2O photocathode had a better photocurrent (-0.065 mA/cm2) due to higher carrier concentration and lower resistance. Also, the four dipping times Cu2O
photocathode revealed a better anti-corrosion property analyzed by open circuit potential (OCP) and Tafel plot.

關鍵字(中)

★ 液相合成法
★ Cu2O 奈米粉體
★ 光電陰極
★ 光催化分解水

關鍵字(英)

★ Liquid phase synthesis
★ Cu2O powder
★ Photocathode
★ Water splitting

論文目次

摘要.............................................i
Abstract........................................ii
致謝............................................iii
目錄............................................iv
圖目錄..........................................viii
表目錄..........................................xiii
第一章緒論.......................................1
1-1 前言.........................................1
1-2 研究動機......................................2
1-3 研究目的......................................3
第二章原理及文獻回顧..............................5
2-1 太陽能應用....................................5
2-2 光催化水分解、光催化降解.......................6
2-3 光催化半導體類別..............................7
2-4 半導體能隙及波長..............................8
2-5 氧化亞銅材料特性..............................9
2-6 氧化亞銅光催化文獻回顧.........................9
2-7 液相法實驗原理...............................13
第三章實驗方法及步驟.............................15
3-1 實驗藥品.....................................15
3-2 實驗設備.....................................15
3-3 分析儀器.....................................16
3-3-1 微電腦酸鹼度/ 氧化還原電位計.................16
3-3-2 粉末X-Ray 繞射儀...........................16
3-3-3 掃描式電子顯微鏡............................17
3-3-4 紫外光/可見光光譜儀.........................18
3-3-5 光激發螢光光譜儀............................19
3-3-6 電化學量測系統..............................19
3-3-7 開路電位(Open Circuit Potential)...........20
3-3-8 Tafel極化曲線..............................20
3-4 實驗流程.....................................21
3-4-1 實驗器具前處理..............................21
3-4-2 化學還原沉澱................................21
3-4-3 溶液反應電位分析（OCP ）.....................22
3-4-4 溶液之酸鹼值及氧化還原電位（OPR）.............23
3-4-5 氧化亞銅粉末洗滌、收集與乾燥..................23
3-4-6 材料分析....................................24
3-4-7 光電極基板前處理.............................24
3-4-8 製備粉末光電極...............................25
3-4-9 光電化學特性量測.............................26
第四章結果與討論..................................27
4-1 液相合成製程改善探討...........................28
4-2 溶液反應電位之探討.............................30
4-3 溶液酸鹼值及氧化還原電位探討....................31
4-4 成核增長及尺寸特性探討.........................34
4-5 光學特性分析探討..............................38
4-5-1 紫外光- 可見光吸收分析.......................38
4-5-2 光激發螢光譜波長特性探討.....................39
4-6 氧化亞銅光電極製程探討.........................40
4-6-1 氧化亞銅光電極製備方式分類...................41
4-6-2 樣品粉體塗佈製備方式........................42
4-7 光電化學特性探討..............................47
4-7-1 光電極製備溫度對材料的影響...................48
4-7-2 溫度對光電流值的影響........................49
4-7-3 持溫時間對光電流值的影響.....................50
4-7-4 溶融溫度對光電極表面之影響...................52
4-7-5 塗佈層數對光電流值之影響.....................53
4-8 電化學特性探討................................55
4-8-1 試片塗層對腐蝕電位之影響.....................55
4-8-2 塗層對載子濃度和阻抗之影響...................57
第五章結論......................................59
第六章未來展望...................................64
參考文獻.........................................65

參考文獻

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指導教授

林景崎(Jing-Chie Lin)

審核日期

2016-7-25

推文