摻雜氧化鉿鈍化層的三氧化鎢薄膜之增強光電化學性能

隨著傳統化石燃料的大量燃燒導致對能源和環境問題的需求不斷增加，尋求清潔和可持續能源作為替代品引起了廣泛的研究興趣。由於其無毒、理想的燃燒效率和高重量能量密度，氫氣似乎是一種很有前途的替代品。在許多公認的製氫方式中，光電化學（PEC）水分解已被廣泛認為是一種有吸引力的解決方案。

三氧化鎢 (WO3) 被認為是最關鍵的半導體材料，由於其帶隙小（2.5-2.8 eV）和空穴擴散長度（~150 nm），具有良好的 PEC 水分解能力。作為 n 型半導體，WO3 具有高電子霍爾遷移率 (12 cm2V−1s−1) ，吸收太陽光譜的 12%。

在半導體表面摻雜鈍化層可以提高WO3的光催化性能，因為鈍化層可以影響表面缺陷位點，抑制半導體表面的電子-空穴複合。氧化鉿 (HfO2) 是一種寬帶隙材料，廣泛用於染料敏化太陽能電池和金屬氧化物半導體高電子遷移率晶體管 (MOS-HEMT) 作為鈍化層。

據報導，摻雜氧化鉿鈍化層通過簡單的溶劑熱方法摻雜在 三氧化鎢薄膜的表面，以獲得增強光電化學性能。HfO2-WO3 薄膜的製作方法如下：

首先，通過溶液法製備WO3納米顆粒。在一個典型的實驗中，聚乙烯吡咯烷酮 (PVP K-30, 2.0 g) 懸浮在去離子 (DI) 水 (15.0 mL) 中。將偏鎢酸銨 ((NH4)6H2W12O40·xH2O, 1.478 g, Aldrich) 溶解在 10.0 mL 蒸餾水中，然後在攪拌下滴入 PVP 溶液中。超聲處理 30 分鐘後，攪拌溶液 2 小時。然後，加入2.0g聚乙二醇 (PEG1000) ，並將系統再攪拌4小時。溶膠-凝膠在 80°C 下乾燥，並在 600°C 下在空氣中燒結 1 小時。

其次，將 0.3 g 製備的 WO3 納米顆粒懸浮在 30 mL 含有 14 mg HfO2 的濃硫酸溶液中。 110℃溶劑熱處理2h後，離心產物，用去離子水和無水乙醇洗滌。然後在60°C的烘箱中乾燥後獲得樣品。為了比較，未添加 HfO2 的情況下也以這種方式處理了裸 WO3 納米顆粒。

採用刮刀技術製備了納米多孔 HfO2-WO3 薄膜包覆的 FTO 電極。在塗覆之前，分別在丙酮/異丙醇/甲醇/去離子水中淨化 FTO 物質。將0.175g HfO2-WO3、0.05g PEG20000、0.025g乙基纖維素、0.8mL萜品醇、0.2mL乙酰丙酮和0. 2mL氚添加到瑪瑙罐中。通過球磨8小時獲得糊狀物。通過刮刀塗佈機將所得糊狀物擠壓在 FTO 基材上，並在 60°C 下乾燥 30 分鐘。最後，以 2 ℃/min 的升溫速率在 450 ℃下煅燒 30 分鐘，得到 HfO2-WO3 薄膜電極。為了比較，還製作了 WO3 薄膜電極。

總之，據報導，摻雜氧化鉿鈍化層通過簡單的溶劑熱方法摻雜在三氧化鎢薄膜的表面，以獲得增強光電化學性能。樣品的形態和尺寸沒有明顯變化。與裸 WO3 薄膜電極相比，HfO2-WO3 薄膜電極在可見光照射下表現出增強的光電化學活性。

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