石墨烯氧化物薄膜电极的光电化学特性-中文

石墨烯氧化物薄膜电极的光电化学特性

张晓艳孙明轩孙钰瑁李靖宋鹏孙通崔晓莉

（复旦大学材料科学系，上海200433)

摘要：采用浸渍-提拉法制备了一系列石墨烯氧化物(GO)薄膜，并通过X射线衍射(XRD)，扫描电镜(SEM)，傅里叶变换红外光谱，紫外-可见吸收光谱和光电化学测量等技术对样品进行了表征。在GO电极上观察到阴极光电流，且光电流密度受薄膜的厚度影响。GO薄膜电极厚度为27 nm时，光电流密度为0．25μA·cm-2．此外，GO电极的光电响应还受紫外光照影响，随着紫外光照时间的延长，阴极光电流逐渐减小。该工作提供了简便的通过控制薄膜厚度或紫外光照时间来控制GO 薄膜半导体光电化学性能的方法。

关键词：石墨烯氧化物；光电化学性能；阴极光电流；膜厚；紫外光照中图分类号： 0646

1.引言：石墨烯带来了一个热门的研究领域，由于其独特的运输性能，高导电性，以及良好的光学透明。它已被广泛研究的许多领域，如传感器，电容器和催化剂。石墨烯的氧化物（GO），被视为与含氧官能团的石墨烯，也引发了极大的研究兴趣，由于其大面积的应用前景。以前的报告已经证实GO具有半导体性质。Yeh等人研究了GO的的光催化活性，其中表现了氢在甲醇溶液中光催化活性的演化。这是从根本上有趣的研究半导体氧化物在光电和光催化应用中的光电化学性质。近日，为了减少GO基复合材料的光电特性如GO-二氧化钛已深入调查。然而，很少有工作重点研究GO薄膜本身的光电性质以及影响因素。在这项工作中，我们提供了一个完整的GO电极光电性能图像。由浸涂法制备了一系列GO薄膜电极，无论是薄膜厚度还是紫外线照射影响光电性能的都进行了调查。

2.实验：

2.1 GO薄膜电极的制备

GO是从天然石墨（CP,99.85％，d<30μm，Sinopharm Group Chemical Reagent Co.,Ltd.）用Hummers方法得到。通过超声分散在水中所产生的氧化物质。G0薄膜是由在刚洗过的掺氟氧化锡（FTO）基质上经过浸渍工艺生产的。在一个典型的过程，FTO基质是在1毫克每毫升的水溶液以11厘米每分钟速度浸渍在红外灯下干燥5分钟，然后重复5次。以GO-5的形式得到GO薄膜。同样，浸渍7次或者9次就会分别以GO-7和GO-9的形式得到GO薄膜。

2.2 表征

使用D8-Advance X射线衍射仪（Germany,Bruker），用Cu Ka辐射X射线衍射（XRD）即可录得。傅里叶变换红外（FTIR）光谱实验中进行红外光谱仪（Nicolet Nexus 470）。用紫外吸收光谱仪（UV-2300，天美，中国）对光吸收性能进行了测试。场发射扫描电子显微镜（FESEM）是用来在一个垂直角度模式下测量薄膜的厚度(S-4800,Hitachi,Japan)。

2.3 光电特性

CHI660电化学工作站（Chenhua Instruments. China）对传统的三电极系统进行光电测量，细胞在0.5mol/L的硫酸钠电解质中以石英窗与铂片为对电极，饱和甘汞电极（SCE）为参比电极。标本用环氧树脂密封揭露一个活跃的领域为0.5cm ×0.5cm。500瓦氙灯可以用来提供的紫外-可见光的强度为200兆瓦·厘米-2。所有的报告都指出SCE是相当有潜力的。

3.结果与讨论

图1(a）显示了典型的GO粉末的XRD图谱。强峰在11.8º归因于GO的（001）面。在约23º出现一个非常薄弱的宽峰，这是由于石墨的存在，建议将没有完全氧化的石墨转化成GO。图1（b）所示GO粉末的红外光谱，这是分别是从GO水溶

液和紫外线照射6小时后得到的。如图1（b）所示，GO表现以下特征：在1721cm-1的弱带归因于的C=O（羧酸）的伸缩振动,在1622 cm-1的强峰归因于水的H-O-H 的弯曲，在1220cm-1的小峰归因于酚的C-OH伸缩，在1070 cm-1强大的波段，对归因于C-O或苯基羟基伸缩振动，以及在980 cm-1的小起伏波段环氧归因于树脂拉伸。这些结果证实存在大量的含氧基团在GO的表面。使用紫外线照射GO后，强峰的出现归因于C=O和烷基中C-OH的伸缩振动和H-O-H弯曲性明显下降，表明GO经过紫外线照射可诱发GO的含氧基团消失。这就表明GO可以减少紫外光线的照射。图1（c）显示紫外 - 可见光吸收光线获取的GO薄膜。一个广泛的吸收峰在450-650纳米的可见光区观察使用G0不同薄膜厚度的薄膜。在可见光区内吸收峰强度从G0-5 增加到GO-9，这表明吸收光线能力增强可以增加薄膜的厚度。评价GO薄膜的光学带隙约3.06 eV从Tauc图如在图1（d）所示的关系是（E-Eg）∝(αE)2,其中α是吸收系数，E为光子能量,Eg是光学带隙。结果表明，薄膜的厚度受GO薄膜的光学带隙的影响不大。

场发射扫描电子显微镜（FE - SEM）获取的GO薄膜的形态和薄膜厚度进行了调查。如图2所示，GO纳米薄膜可观察所有的三个样本。测量薄膜的平均厚度GO-9约9nm GO-5薄膜约27nm。薄膜厚度的变化是与紫外可见光吸收强度是一致的，如图1（C），在整个光谱中增加薄膜的厚度。

图3（A）描述，所制备GO电极厚度薄膜光电性能不同相对于SCE是0V。阴极光电流随薄膜厚度的增加而变化。GO-5薄膜电极与平均厚度为9nm的薄膜一样具有0.10μA·cm-2的电流密度，如图3(A-a)。把GO-7和GO-9的电流密度提高到0.16和0.25μA·cm-2如图(A-b)和(A-c），分别是他们与紫外--可见光吸收性能的联系。这一事实表明，电流密度与膜的厚度增加因为多的光线可以用较厚的薄膜吸收。进一步实验结果表明，GO电极薄膜厚度较厚的光电化学性能较好。它应该是合理的遵守阴极光电流,因为GO薄膜电极是p型半导体。当GO在光照下，光产生的孔往往被扫到GO层并且光生电子与电解质往往要被接口带动，产生阴极光电流。光生电子被吸附在电极表面的水抓获，产生氢气。

还考察了GO电极在不同应用电位下的光电性能。在图3（b）所示，当进行阴