实验四电化学合成纳米Cu2O薄膜一.实验导读1.电化学基础电化学作为化学的分支之一，是研究两类导体（电子导体，如金属或半导体，以及离子导体，如电解质溶液）形成的接界面上所发生的带电及电子转移变化的科学。传统观念认为电化学主要研究电能和化学能之间的相互转换，如电解和原电池。但电化学并不局限于电能出现的化学反应，也包含其它物理化学过程，如金属的电化学腐蚀，以及电解质溶液中的金属置换反应。电化学反应种类繁多，如原电池反应，条件是有两种金属活动性不同的金属（或一种金属，另一种导电非金属，如石墨。），及电解质溶液和闭合电路。又如电解反应，需要电源、电解质溶液、待镀物品（阳极）和镀层金属（阴极）。2.CV与一般化学氧化还原过程不同，电化学过程可以利用对研究电极施加不同的电位（正于或负于Nernst电位），来控制电极表面上的氧化或还原过程。在电化学中常用到两种技术来研究一个电极过程：电化学循环伏安技术（CV）和电化学阶跃电位（CA）技术。循环伏安技术（cyclicvoltammetry，CV）：CV技术是对所研究的电极相对于参比电极施加三角波电位波形，记录体系电流随电位的变化的曲线CV技术也是电化学中最基本的技术，通过对未知研究体系的CV研究，可以获得研究对象的反应电位或和平衡电位，估算反应物种的量，以及判断反应的可逆性。电化学反应中物种反应的量可以依据Faraday定律估算：Q=了otidt=mnF其中m为反应的摩尔量,n为电极反应中的得失电子数，F为Faraday常数（96485C.mol-l)。3.阴极还原和阳极氧化方法1）阳极氧化阳极氧化（anodicoxidation）：金属或合金的电化学氧化。铜、铝及其合金在相应的电解液和特定的工艺条件下由于外加电流的作用下在铜、铝制品（阳极）上形成一层氧化膜的过程阳极氧化如果没有特别指明，通常是指硫酸阳极氧化。将金属或合金的制件作为阳极，采用电解的方法使其表面形成氧化物薄膜。金属氧化物薄膜改变了表面状态和性能，如表面着色，提高耐腐蚀性、增强耐磨性及硬度，保护金属表面等。例如铜、铝阳极氧化，将铜、铝及其合金置于相应电解液(如硫酸、铬酸、草酸等)中作为阳极，在特定条件和外加电流作用下，进行电解。阳极的铜、铝或其合金氧化，表面上形成氧化铜、氧化铝薄层，其厚度可控制为纳米。阳极氧化后的铜、铝或其合金，提高了其硬度和耐磨性，良好的耐热性，优良的绝缘性，增强了抗腐蚀性能。氧化膜薄层中具有大量的微孔，可吸附各种润滑剂，适合制造发动机气缸或其他耐磨零件；膜微孔吸附能力强可着色成各种美观艳丽的色彩。有色金属或其合金（如铜、铝、镁及其合金等）都可进行阳极氧化处理，这种方法广泛用于机械零件，飞机汽车部件，精密仪器及无线电器材，日用品和建筑装饰等方面。2）阴极还原阴极（Cathode)是电化学反应的一个术语。指的是得电子的极，也就是发生还原反应的极在原电池中，阴极是正极；电子由负极流向正极，电流由正极流向负极。溶液中的阳离子移
实验四 电化学合成纳米 Cu2O 薄膜 一. 实验导读 1. 电化学基础 电化学作为化学的分支之一，是研究两类导体（电子导体，如金属或半导体，以及离子 导体，如电解质溶液）形成的接界面上所发生的带电及电子转移变化的科学。 传统观念认为电化学主要研究电能和化学能之间的相互转换，如电解和原电池。但电化 学并不局限于电能出现的化学反应，也包含其它物理化学过程，如金属的电化学腐蚀，以及 电解质溶液中的金属置换反应。 电化学反应种类繁多，如原电池反应，条件是有两种金属活动性不同的金属（或一种金 属，另一种导电非金属，如石墨。），及电解质溶液和闭合电路。又如电解反应，需要电源、 电解质溶液、待镀物品（阳极）和镀层金属（阴极）。 2. CV 与一般化学氧化还原过程不同，电化学过程可以利用对研究电极施加不同的电位（正 于或负于 Nernst 电位），来控制电极表面上的氧化或还原过程。 在电化学中常用到两种技术来研究一个电极过程：电化学循环伏安技术（CV）和电化学阶 跃电位（CA）技术。 循环伏安技术（cyclic voltammetry, CV）： CV 技术是对所研究的电极相对于参比电极施加三角波电位波形，记录体系电流随电位 的变化的曲线, CV 技术也是电化学中最基本的技术，通过对未知研究体系的 CV 研究，可以获得研究 对象的反应电位或和平衡电位, 估算反应物种的量，以及判断反应的可逆性。电化学反应 中物种反应的量可以依据 Faraday 定律估算：Q= ∫0 t idt =mnF 其中 m 为反应的摩尔量, n 为电极反应中的得失电子数，F 为 Faraday 常数（96485C.mol-1）。 3. 阴极还原和阳极氧化方法 1） 阳极氧化 阳极氧化（anodic oxidation）：金属或合金的电化学氧化。铜、铝及其合金在相应的电解液和 特定的工艺条件下,由于外加电流的作用下,在铜、铝制品(阳极)上形成一层氧化膜的过程.阳 极氧化如果没有特别指明，通常是指硫酸阳极氧化。 将金属或合金的制件作为阳极，采用电解的方法使其表面形成氧化物薄膜。金属氧化物薄膜 改变了表面状态和性能，如表面着色，提高耐腐蚀性、增强耐磨性及硬度，保护金属表面等。 例如铜、铝阳极氧化，将铜、铝及其合金置于相应电解液(如硫酸、铬酸、草酸等)中作为阳 极，在特定条件和外加电流作用下，进行电解。阳极的铜、铝或其合金氧化 ，表面上形成 氧化铜、氧化铝薄层 ，其厚度可控制为纳米 。阳极氧化后的铜、铝或其合金，提高了其硬 度和耐磨性，良好的耐热性，优良的绝缘性，增强了抗腐蚀性能。氧化膜薄层中具有大量的 微孔，可吸附各种润滑剂，适合制造发动机气缸或其他耐磨零件；膜微孔吸附能力强可着色 成各种美观艳丽的色彩。有色金属或其合金（如铜、铝、镁及其合金等）都可进行阳极氧化 处理，这种方法广泛用于机械零件，飞机汽车部件，精密仪器及无线电器材，日用品和建筑 装饰等方面。 2） 阴极还原 阴极（Cathode)是电化学反应的一个术语。指的是得电子的极，也就是发生还原反应的极。 在原电池中，阴极是正极；电子由负极流向正极，电流由正极流向负极。溶液中的阳离子移
向正极，阴离子移向负极。在电解池中阴极与电源的负极相连。阴极总是与阳极（Anode）相对应而存在的。原电池负极的构成：a.活泼性不同的金属。活泼性强的金属就是负极一锌铜原电池，锌作负极，铜作正极；b.金属和非金属（非金属必须能导电），金属是负极一一锌锰干电池，锌作负极，石墨作正极：C.金属与化合物，金属是负极一一铅蓄电池，铅板作负极，二氧化铅作正极：d.情性电极，实质是氢为负极一一氢氧燃料电池，电极均为铂。电解池负极的构成：阴极：与电源的负极相连。在阴极上发生还原反应的是溶液中的阳离子。当溶液中存在多种阳离子时，按金属活动性顺序，越不活泼的金属，其阳离子的氧化性越强，越容易被还原。在水溶液中，铝之前的金属的阳离子不可能被还原。4.半导体薄膜合成技术半导体薄膜的各种制备技术及其相关的物理基础涉及真空技术、蒸发、溅射、化学气相沉积、脉冲激光沉积、分子束外延、液相外延、湿化学合成等各种半导体薄膜的沉积技术，本实验采用氧化-还原法制备纳米Cu2O薄膜。具体可参见《半导体薄膜技术与物理》一书，该书对半导体薄膜合成技术进行了全面、系统地介绍。5.光吸收测定带隙1）带隙带隙：导带的最低点和价带的最高点的能量之差。也称能隙。带隙越大，电子由价带被激发到导带越难，本征载流子浓度就越低，电导率也就越低带隙主要作为带障基准的简称，带隙基准是所有基准电压中最受欢迎的一种，由于其具有与电源电压、工艺、温度变化几平无关的突出优点，所以被广泛地应用于高精度的比较器、A/D或DIA转换器、LDO稳压器以及其他许多模拟集成电路中。带隙的主要作用是在集成电路中提供稳定的参考电压或参考电流，这就要求基准对电源电压的变化和温度的变化不敏感。2）直接带隙半导体如果半导体材料中导带和价带中的电子和空穴的动能相同的话，则该半导体可以称之为直接带隙半导体。其导带最小值（导带底）和满带最大值在k空间中同一位置，电子要跃迁到导带上产生导电的电子和空穴（形成半满能带）只需要吸收能量。二：实验提要首先，通过条件控制制备出不同形貌的Cu2O薄膜，有三个主要形貌的薄膜形成：室温搅拌条件下醋酸铜电解液中直接在ITO导电玻璃上电沉积出规则的树枝状结构的CU>O薄膜：向醋酸铜电解液中加入简单盐作为形貌控制剂,发现含CI-离子盐的加入能够明显改变Cu2O晶体的形貌，并且随着CI-离子浓度的增加,Cu2O晶体的形貌从星形逐渐向方形结构变化；向醋酸铜电解液中加入CTAB、DTAC等阳离子表面活性剂作为添加剂来控制电沉积CU2O晶体形貌的研究，发现Cu2O薄膜的形貌从星形、花瓣形到多孔球形结构的变化过程。同时，研究形成不同形貌的可能机理。其次，对制备的薄膜进行了性能研究，可以发现树枝形结构的Cu2O薄膜在电催化氧化葡萄糖方面具有较好的性能，可作为无酶葡萄糖传感器的开发与应用；方形结构的Cu2O薄膜的表面光电压信号较强，在光电子器件方面有应用前景；多孔球形的Cu2O薄膜的光致发光性能较好，说明该结构的Cu2O薄膜在光学器件方面具有较好的应用前景
向正极，阴离子移向负极。在电解池中阴极与电源的负极相连。阴极总是与阳极（ Anode ） 相对应而存在的。 原电池负极的构成： a.活泼性不同的金属。活泼性强的金属就是负极——锌铜原电池，锌作负极，铜作正极； b.金属和非金属（非金属必须能导电），金属是负极——锌锰干电池，锌作负极，石墨作 正极； c.金属与化合物，金属是负极——铅蓄电池，铅板作负极，二氧化铅作正极； d.惰性电极，实质是氢为负极——氢氧燃料电池，电极均为铂。 电解池负极的构成： 阴极：与电源的负极相连。在阴极上发生还原反应的是溶液中的阳离子。当溶液中存在 多种阳离子时，按金属活动性顺序，越不活泼的金属，其阳离子的氧化性越强，越容易被还 原。在水溶液中，铝之前的金属的阳离子不可能被还原。 4. 半导体薄膜合成技术 半导体薄膜的各种制备技术及其相关的物理基础涉及真空技术、蒸发、溅射、化学气相沉 积、脉冲激光沉积、分子束外延、液相外延、湿化学合成等各种半导体薄膜的沉积技术，本 实验采用氧化-还原法制备纳米 Cu2O 薄膜。具体可参见《半导体薄膜技术与物理》一书，该 书对半导体薄膜合成技术进行了全面、系统地介绍。 5. 光吸收测定带隙 1）带隙 带隙：导带的最低点和价带的最高点的能量之差。也称能隙。 带隙越大，电子由价带被激发到导带越难，本征载流子浓度就越低，电导率也就越低 带隙主要作为带隙基准的简称，带隙基准是所有基准电压中最受欢迎的一种，由于其 具有与电源电压、工艺、温度变化几乎无关的突出优点，所以被广泛地应用于高精度的比 较器、A/D 或 D/A 转换器、LDO 稳压器以及其他许多模拟集成电路中。 带隙的主要作用是在集成电路中提供稳定的参考电压或参考电流，这就要求基准对电源 电压的变化和温度的变化不敏感。 2）直接带隙半导体 如果半导体材料中导带和价带中的电子和空穴的动能相同的话，则该半导体可以称之为直 接带隙半导体。其导带最小值（导带底）和满带最大值在 k 空间中同一位置，电子要跃迁到 导带上产生导电的电子和空穴（形成半满能带）只需要吸收能量。 二．实验提要 首先,通过条件控制制备出不同形貌的 Cu2O 薄膜,有三个主要形貌的薄膜形成:室温搅拌 条件下,醋酸铜电解液中直接在 ITO 导电玻璃上电沉积出规则的树枝状结构的 Cu2O 薄膜;向 醋酸铜电解液中加入简单盐作为形貌控制剂,发现含 Cl-离子盐的加入能够明显改变 Cu2O 晶 体的形貌,并且随着 Cl-离子浓度的增加,Cu2O 晶体的形貌从星形逐渐向方形结构变化;向醋 酸铜电解液中加入 CTAB、DTAC 等阳离子表面活性剂作为添加剂来控制电沉积 Cu2O 晶体形 貌的研究,发现 Cu2O 薄膜的形貌从星形、花瓣形到多孔球形结构的变化过程。同时,研究形 成不同形貌的可能机理。 其次,对制备的薄膜进行了性能研究,可以发现树枝形结构的 Cu2O 薄膜在电催化氧化葡萄糖方面具有较好的性能,可作为无酶葡萄糖传感器的开发与应用;方 形结构的Cu2O薄膜的表面光电压信号较强,在光电子器件方面有应用前景;多孔球形的Cu2O 薄膜的光致发光性能较好,说明该结构的 Cu2O 薄膜在光学器件方面具有较好的应用前景
三。实验内容1.药品2.仪器3.实验步骤四表征方法XRD、SEM分析材料组成和结构；光吸收光谱分析Cu2O薄膜在可见光范围内具有较好的光吸收性能；光催化降解实验表明：在可见光下，CuzO薄膜对罗丹明B的降解具有较强的光催化活性。五。思考题参考文献
三．实验内容 1．药品 2．仪器 3．实验步骤 四．表征方法 XRD、SEM 分析材料组成和结构；光吸收光谱分析 Cu2O 薄膜在可见光范围内具有较好的 光吸收性能；光催化降解实验表明：在可见光下，Cu2O 薄膜对罗丹明 B 的降解具有较强的 光催化活性。 五．思考题 参考文献