论文总字数：11404字

摘 要

随着近年来人类社会的不断发展，尤其是自工业革命以后，传统的化石能源被大量消耗，煤炭，石油，天然气等传统能源不但储量有限，而且会带来严重的环境问题，如大气污染，温室效应等。因此，开发新的可持续利用的新型清洁能源成为各国迫在眉睫需要解决的问题。

自从上世界七十年代日本学者发现光解水制氢现象以后，引起了世界各国的高度重视，因为氢能具有清洁、燃烧值高、储量丰富等优点。而半导体光解水制氢今年更成为研究的重点。本论文我们用研究了通过简单的元素掺杂法实现p型SrTiO₃的制备，用XRD对样品进行了数据测量，我们可以利用p\n型异质结提高电子空穴的分离效率，可以进一步实现无偏压分解水制氢。

关键词：氢能 光解水制氢 p型SrTiO₃ 掺杂

Abstract

With the continuous development of human society in recent years, especially since the industrial revolution, traditional fossil energy has been consumed in large quantities. Coal, oil, natural gas and other traditional sources of energy are not only limited, but also bring serious environmental problems, such as air pollution, greenhouse effect and so on. Therefore, the development of new and sustainable clean energy has become a pressing problem for all countries.

Since 70s, Japanese scholars found the phenomenon of hydrogen production by photolysis, which has aroused great attention all over the world, because hydrogen energy has the advantages of clean, high burning value, rich reserves and so on. The production of hydrogen by semiconductor photolysis of water has become the focus of research this year. In this paper, we use a simple element doping method to prepare P type SrTiO₃, and use XRD to measure the sample. We can use p\n type heterojunction to improve the separation efficiency of electron hole, and can further realize hydrogen production without partial pressure decomposition.

Key word：Hydrogen energy Hydrogen production by photolysis P type SrTiO₃ Doping

目录

摘要 I

Abstract II

绪论 1

1.1 引言 1

1.2背景及介绍 1

第二章 实验 5

2.1实验方法 5

2.2 实验试剂及仪器 6

2.3实验过程 8

2.3.1 8

2.3.2 10

2.4实验结果以及数据处理 10

参考文献 13

致谢 15

绪论

1.1 引言

人类社会的不断发展，尤其是近年来的进步，传统的发展模式需要消耗大量的化石能源，传统的化石能源，如石油、天然气、煤炭等被大规模的开采使用。但传统的能源存在重要的问题，首先是带来了严重的环境污染问题，而且CO₂的大量排放也引发了温室效应，给地球带来巨大的危机，其次传统的化石能源储藏有限，随着世界发展的不断消耗，传统的化石能源也在逐步枯竭。因此，人类需要寻找其他的发展道路，开发新型可持续利用的清洁能源已经迫在眉睫。氢能是一种新型的清洁能源，它具有很多的优点，相比于其他的燃料如汽油、酒精等它的燃烧值更高，而且它的燃烧产物为水，对环境没有污染，而且它的储量也相当的丰富，因为在宇宙中氢元素占有率高达百分之七十五，另外，它还具有可贮存、便于运输的优点，所以大家公认它是最有前途代替传统的化石能源的新型能源^[1]。SrTiO₃作为一种半导体材料，可用于半导体光解水制氢，因此，具有很好的发展前景，本文主要研究的是用掺杂法制备P型SrTiO₃。

1.2 背景及介绍

氢能的研究并非一帆风顺，上世纪七十年代日本的学者发现了太阳能是可以分解水来制造出清洁的氢能，不过需要在某些物质的参与之下，这个发现给氢能的利用一个新的方向，给了大家新的动力^[2]。而在光催化分解水制氢的研究中，如何获得高活性的催化材料是研究的重中之重。到目前为止，虽然大量的催化材料被合成并成功用于光催化产氢领域，然而其中大多数催化剂只能响应仅占太阳光谱能量5%的紫外光，因此制备高活性具有可见光响应的催化材料仍然具有重要的意义。SrTiO₃作为一种著名的宽禁带的金属氧化物，它还具有Perovskite结构，3.2eV大概就是它的本征bandgap。虽然在常温下本征SrTiO₃并不能像导体一样导电，即是一种绝缘体，但是我们可以通过一些办法，比如对它进行一定量的掺杂来改变它的性质，这样它就有可能成为半导体，甚至是超导体。而改变性质之后的SrTiO₃可以在某些特别波长的光的情况下发光，而且在这种情况下它能分解水制取氢气，也可以处理有机污染物，除此之外，它还能应用于SolidOxideFuelCell，所以它是一种非常非常有前途的材料^[3]。而光催化材料因为一些原因受到了很高的注意，那就是它的导带位置相对比较高，所以在分解水方面更有优势^[4-5]。然而, SrTiO₃带隙过宽仅能响应紫外光，限制了其对光能的利用。KUDO发现如果将Cr,Mn或Rh掺杂到SrTiO₃的晶格可以在SrTiO₃的价带附近产生杂质能级从而使得SrTiO₃吸收可见光^[6]。另外由于掺杂后并未改变STO的导带，因此掺杂后SrTiO₃仍具有较高的产氢活性。

中国是 Sr 元素储量大国，以 Sr 元素为材料的化合物近年来受到国内科研人员的青睐，其中，SrTiO₃作为一种比较优良的半导体材料，对其的研究也越来越受到人们的重视。我国在这方面的研究主要是这种材料的压电、介电以及光电和光学性能方面。有人计算了对SrTiO₃进行Co掺杂后它的磁性，而且对其磁化的机理进行了探究，他们是来自兰理工大学的王青等人^[7]。而胡秋波和一些人做出了SrTiO₃薄膜是用Pr进行掺杂的，他们还探究了它的光学方面的性能。而张超等人探究了N掺杂和N-S掺杂下的此材料的体系，而且对它的光学性能进行了一些猜想，他们运用的方法是第一性原理^[8]。来自中国科学院北京凝聚态物理国家实验室和物理研究所的冯家贵一些人制作出了质量很高的SrTiO₃薄膜，他们所采用的方式是氧化物分子束外延的方法^[9]。陈文灏等人探究了钙钛矿型过渡金属氧化物界面二维电子气成形的内在原因，他们选取的例子是SrTiO₃和LaALO₃^[10]。而杨英等一些人探究了如Mg、Ca等碱土金属元素如果用于掺杂SrTiO₃ Pr³ 体系中荧光粉的放光性能的影响，他们的研究结果说明了，影响还是很大的^[11]。来自中国著名大学上海复旦的李政皓结联合两种方式使此种材料的发光强度得到了提升，他们用的方式是ion beam sputtering和HF酸腐蚀^[12]。何崇斌和他的一些同事探究了掺杂对于SrTiO₃这种材料光导致的发光和电方面性能的影响^[13]。中国以外的国家对于SrTiO₃的研究主要集中在制备和电子结构的研究。来自美利坚的 W.Ramadan他们做了另一种掺杂的薄膜，这次他们掺杂的是Nb，他们还探讨了这对其电子传输特性的影响^[14]。来自日本的研究者 Y.Kozuke 做出的材料迁移率比较高^[15] 。Takeo ohsawa和Katsuya Lwaya一些人做出的质量非常好的薄膜，他们用的是一种特殊的方法^[16]。在2012年，法国的研究者探究了SrTiO₃在常温下蒸发的氧化铝表面又倒下的一些情况，包括金属丰度和光电方面的一些研究，同年，美国的PMoetakef和JR Williams等一些人发现钛酸锶被La掺杂形成的薄膜具有铁磁性和超导性^[17-18]。JanottiA和他的同事们运用和张超相同的方法研究了此材料的能带结构^[19]。而Mochizuki 等人发现，在真空条件下用特殊波长的仪器照射材料，它发出的荧光的谱线会比较宽，中心位置大约在516nm，而当在真空中引入燃烧所必需的O₂会致使它的PL在强度方面变弱^[20]。Daisuke等人釆用 Ar 离子束溅射或贫氧环境沉积成膜的方法，发现波长为 325nm 的激光照射薄膜，本征 SrTiO3 发蓝光，中心波长位于 430nm^[21] 。Seung-Hee 采用射频磁控溅射法在 p-type Si( 100) 衬底上制备了有取向度的 SrTiO3 薄膜^[22] 。

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