本发明专利技术提供一种利用ZnO单晶内部自发极化内建电场调控ZnO单晶光电极内部光生载流子分离效率和光电化学性能的方法。通过调节ZnO单晶电极内部极化内建电场方向，从而控制ZnO单晶电极内部光生载流子的分离效率，从而调控光电流和光电转化效率。当ZnO单晶内部内建电场方向垂直于电极表面指向外表面时(O‑SC)，光电流、量子转换效率及电极内部载流子分离效率可得到有效增强。该方法简单有效，因此能够进一步提高光电化学光电极的载流子分离效率及活性，具有潜在的应用价值。
Method for regulating internal photo carrier separation efficiency and photoelectrochemical activity of ZnO single crystal photoelectric pole by using built-in electric field of polar crystal
The invention provides a method for regulating the internal photo carrier separation efficiency and Photoelectrochemical Performance of ZnO single crystal photoelectric pole by using the spontaneous polarization built-in electric field of ZnO single crystal. By adjusting the polarization direction of the built-in electric field in the ZnO single crystal electrode, the separation efficiency of the photogenerated carriers in the ZnO single crystal electrode is controlled, and the photocurrent and the photoelectric conversion efficiency are regulated. When the electric field of ZnO single crystal internal direction perpendicular to the electrode surface to the outer surface (O SC), light current, quantum conversion efficiency and electrode separation efficiency can be effectively enhanced the carrier. The method is simple and effective, so it can further improve the separation efficiency and activity of the carriers.
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光电解水领域，特别涉及利用极性晶体内建电场调控ZnO单晶光电极内部光生载流子分离效率和光电化学活性的方法。
技术介绍
能源短缺和环境污染问题已成为世界各国所面临的最严重问题，如何有效解决能源和环境问题对整个人类社会具有重要意义。太阳能作为一种储量丰富、价格便宜、绿色环保的新能源，受到了人们的广泛关注。近期，基于太阳能利用的各种高新技术吸引了世界各国研究人员的广泛关注。光电化学技术是一种有效利用太阳能资源，并将其转化为化学能的新技术，能够将水分解成氢气和氧气，解决能源与环境方面的相关问题。然而，光电化学技术目前最大的问题是其光电转换效率依然较低，无法满足大规模工业化生产的要求。因此，进一步提高光电化学分解水的光电转化效率，对促进和推动光电化学技术发展及其应用具有重要的意义。光电化学过程中光生载流子的分离效率，作为影响其光电转化效率的一个重要因素，严重影响了光电化学分解水的活性。目前，人们普遍采用的用于提高光生载流子分离效率的方式主要有：将不同半导体材料复合形成异质结或者在半导体光电极表面负载金属或非金属助催化剂的方式，来促进光生载流子的分离。然而，通过这些方式对光生载流子分离效率的提升效果有限。因此，寻找能够更有效的提高光生载流子分离效率的新方法，进一步提高光生载流子分离效率，对提高光电化学的光电转换效率，促进其发展和实际应用具有重要意义。
技术实现思路
为了克服上述不足，本专利技术提供一种利用极性晶体内建电场调控ZnO单晶光电极内部光生载流子分离效率和光电化学活性的方法。利用ZnO极性单晶内部自发内建电场作为促进光电化学分解水中光生载流子分离的驱动力，从而提高ZnO单晶电极内部光生载流子的分离效率的方法，以提高光电化学光电极的光电流及光电转换效率。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种ZnO单晶材料，所述ZnO单晶材料由两片C切和一片M切单晶晶片组成，相应的暴露晶面为：C切：(0001)面和(000-1)面；M切：(10-10)面。ZnO单晶电极不同于其他由纳米材料组成的光电极。由于单晶材料内部缺陷浓度远低于纳米材料，因此，在光电化学分解水产氢过程中光生载流子的复合几率大大降低。此外，由于ZnO是一种极性晶体，内部存在由(0001)-Zn面指向(000-1)-O面的自发内建电场，该电场的存在能够为光生载流子的分离提供有效的驱动力，从而促进载流子的有效分离。相对于目前常用的促进光生载流子分离的方法，如：异质结、贵金属负载等通过构建界面电场的方法，利用ZnO单晶内建电场作为促进光生载流子分离的驱动力，具有作用范围更广、内建电场强度更高的优点。基于以上两点，本专利技术提出的ZnO单晶光电极在光电化学分解水产氢过程中具有更高的载流子分离效率，具有更高的催化活性。优选的，所述单晶晶片厚度为0.05～0.5mm。本专利技术还提供了一种ZnO单晶材料光电极，包括任一上述的单晶材料。当ZnO单晶电极内部极化内建电场方向垂直于电极表面指向外表面时(电极暴露晶面为ZnO(000-1)面)，电极内部光生载流子的分离效率提高，此时光电流和光电转化效率较高。当ZnO单晶电极内部极化内建电场方向垂直于电极表面指向镀金表面时(电极暴露晶面为ZnO(0001)面)，电极内部光生载流子的分离效率降低，此时光电流和光电转换效率较低。当ZnO单晶电极内部极化内建电场方向平行于电极表面时(暴露晶面为ZnO(10-10)面)，内建电场对电极内部光生载流子分离不起作用，此时光电流和光电转化效率居中。本专利技术还提供了一种ZnO单晶材料光电极的制备方法，包括：将两片C切和一片M切的ZnO单晶晶片预处理后，依次在(0001)面、(000-1)面和(10-10)面喷金，退火，在喷金面引出导线，即得ZnO单晶材料光电极；其中，所述两片C切和一片M切的暴露晶面依次为(0001)面、(000-1)面和(10-10)面。ZnO单晶光电化学电极的光电流，可通过改变ZnO单晶内部自发内建电场方向进行调控。ZnO单晶光电化学电极的光电转换效率(IPCE)，可通过改变ZnO单晶内部自发内建电场方向进行调控。ZnO单晶光电化学电极内部光生载流子的分离效率，可通过改变ZnO单晶内部自发内建电场方向进行调控。本专利技术中利用ZnO极性单晶内部自发内建电场调控光电化学分解水的光电流、光电转换效高。优选的，所述预处理的具体步骤为：将C切和M切的ZnO单晶晶片加工至厚度0.05～0.5mm，用H3PO4/CH3COOH/H2O(1～1.1:1～1.1:30～32，pH＝1.3～1.32)的混合溶液清浸泡1～10min，洗涤，干燥。优选的，所述退火的具体条件为：500～510℃下退火1～10min。本专利技术还提供了一种电化学装置，包括：上述的光电极、对电极和参比电极。本专利技术还提供了一种光电解水制氢的装置，包括任一上述的光电极。本专利技术还提供了任一上述的单晶材料、光电极、电化学装置在光电解水中的应用。本专利技术还提供了上述光电极电解水的方法，包括：将所述的ZnO单晶材料光电极分别作为光阳极和光阴极，饱和甘汞电极作为参比电极，在三电极光电解池中分解水制氢，氢气和氧气分别在光阴极和光阳极上析出；所述三电极光电解池采用的溶液体系为1.5MNa2CO3+0.45M乙二醇水溶液，外加偏压为-0..25～-0.45VSCE；光源为配有AM1.5G滤光片的300W氙灯，调节光强为100mW/cm2。本专利技术的有益效果(1)本专利技术得到的ZnO单晶电极的光电流、量子转换效率及电极内部载流子的分离效率，可通过ZnO单晶内部内建电场方向进行调控。当ZnO单晶内部内建电场方向垂直于电极表面指向外表面时(O-SC)，光电流、量子转换效率及电极内部载流子分离效率可得到有效增强。该方法简单有效，因此能够进一步提高光电化学光电极的载流子分离效率及活性，具有潜在的应用价值。(2)本专利技术技术方案对光电化学过程中的载流子分离效率具有明显的提升效果，相对于由纳米材料、异质结型光电极，载流子的分离效率可提升50％-80％。(3)本专利技术构建的电解水装置，结构操作简单，设备紧凑，各种参数容易控制，特别发现，采用500～510℃制备光电极时，可进一步提高其光电流密度和光电转换效率，因而可以大大提高光电解水制氢的速率。其原因可能是在该退火温度下有助于改变ZnO单晶中光生载流子的流动方式，减少了光生载流子的复合几率，从而可以提高光电性能和产氢速率。(4)本专利技术制备方法简单、检测效率高、实用性强，易于推广。附图说明图1是本专利技术实施例1中ZnO单晶光电极的电极结构、暴露晶面及内建电场在ZnO单晶内部方向示意图。图2是本专利技术实施例1中ZnO单晶电极光电流随外加偏压变化曲线和量子转换效率随波长变化曲线图。图3是本专利技术实施例1中ZnO单晶电极内部载流子分离效率随外加偏压变化曲线图。具体实施方式以下通过实施例对本专利技术特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：实施例1将C切和M切的ZnO单晶晶片加工至厚度0.05～0.5mm，用H3PO4/CH3COOH/H2O(1:1:30，pH＝1.3)的混合溶液清浸泡5分钟，用去离子水清洗，干燥。分别选取两片C切ZnO单晶晶片和M切ZnO单晶晶片，在(0001)、(000-1本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种ZnO单晶材料，其特征在于，所述ZnO单晶材料由两片C切和一片M切单晶晶片组成，相应的暴露晶面为：C切：(0001)面和(000‑1)面；M切：(10‑10)面。
【技术特征摘要】
1.一种ZnO单晶材料，其特征在于，所述ZnO单晶材料由两片C切和一片M切单晶晶片组成，相应的暴露晶面为：C切：(0001)面和(000-1)面；M切：(10-10)面。2.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述单晶晶片厚度为0.05～0.5mm。3.一种ZnO单晶材料光电极，其特征在于，包括权利要求1或2所述的单晶材料。4.一种ZnO单晶材料光电极的制备方法，其特征在于，包括：将两片C切和一片M切的ZnO单晶晶片预处理后，依次在(0001)面、(000-1)面和(10-10)面喷金，退火，在喷金面引出导线，即得ZnO单晶材料光电极；其中，所述两片C切和一片M切的暴露晶面依次为(0001)面、(000-1)面和(10-10)面。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述预处理的具体步骤为：将C切和M切的ZnO单晶晶片加工至厚度0.05～0.5mm，用H3PO4/CH3COOH/H2O(1～1.1:1～...
【专利技术属性】
技术研发人员：王泽岩，张博，黄柏标，张晓阳，秦晓燕，王朋，刘媛媛，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37
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