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如何对半导体光催化剂进行Mott-Schottky测试、数据处理及分析？

2024-01-17

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前言

Mott-Schottky 测试是利用电化学工作站对半导体材料进行电化学性能测试的一种常用手段。通过电化学 Mott-Schottky 测试可以确定半导体的类型、电流密度以及平带电势，它与 UV-vis DRS 测试结合起来还可以计算出半导体的导带、价带位置。在光催化领域，催化剂氧化还原能力强弱与导带价带位置息息相关，导带越负，还原能力越强，价带越正，氧化能力越强。测得光催化剂的导带、价带位置，有利于后续的机理分析，还可以从理论上判断反应是否能够进行。因此，Mott-Schottky 测试在关于光催化的文献中的越来越常见。本文分享下如何对半导体光催化剂进行 Mott-Schottky 测试以及对所得数据进行处理、分析，希望对大家有所帮助。

一、测试前准备

测试前，需要构建三电极体系，一般将涂覆有光催化剂的导电基底（常见的为 FTO 和 ITO）作为工作电极，铂丝或者铂片作为对电极，Ag/AgCl 或者 Hg/HgCl2 作为参比电极，电解液一般为 Na2SO4。当然，光催化剂体系不同，电极和电解液的选择可能有所不同，具体以相关参考文献为准。工作电极的详细制备过程在许多硕士、博士的大论文中有详细介绍，这里不再赘述。下面以辰华 CHI 760 E 电化学工作站为例来讲述如何进行测试以及数据处理。

二、电化学 Mott-Schottky 测试操作步骤

⑴ 测开路电压

三电极体系搭建好后，进行 Mott-Schottky 测试前要先测得开路电压，然后根据开路电压设置电压扫描区间。具体操作：打开电化学测试软件，点击菜单栏 Setup，选择 Technique，继续选择 OCPT-Open Circuit Potential-Time，Run Time 时间长短随自己设置，其他参数不用改，待测出来的开路电压稳定下来（即测出来的是一条平行于 X 轴的波动很小的线），记下软件左下角给出的开路电压数据，如果左下角没显示数据，也可以点击菜单栏 Control，继续点击 Open Circuit Potential，也可以得到开路电压数据。

⑵ Mott-Schottky测试

菜单栏 Setup→Technique→IMPE-Impedance-Potential，以开路电压为中心 0.5-1 V 范围内设置起始电位和终止电位，振幅 Amplitude 结合文献设置，一般设为 0.01 V，频率 Frequency 保持 1000，其他参数不用改。

⑶ 数据导出与保存

因为测出来的数据为 log(Z)-Potential 数据，所以测试完成后需要对数据进行转换再导出。具体操作：

菜单栏 Graphics→Graph option→1/(Cs*Cs)-E，如下图所示：

文件原始格式为 bin 格式，要在 origin 里作图的话需要另外保存一份为 txt 格式，注意去除测试参数设置等信息，如下图所示。

数据处理

用 origin 打开 txt 数据，直接点击工具栏里的 Import Single ASCII 导入数据或者点击File→Import→Single ASCII 导入数据。

要想得到文献中 Mott-Schottky 曲线还需要先通过公式计算得到 C 和 1/C2，公式：C=-1/(wZ’’)=-1/2πfZ’’，其中 f 为频率。

Origin 中新增两列 F，G，选中 F 列，鼠标右键显示菜单→Set Column Values，输入公式即可得到电容 C 数据，如下图所示，同理可得 1/C2 数据，选中 A、G 列数据作图，即得到 Mott-Schottky 曲线。

三、数据分析

⑴ 半导体类型的判断

现在以一篇文献为例，对 M-S 曲线最长直线部分做切线，当切线斜率为正时，说明该半导体为 n 型半导体，下图 b 中 MnCo2O4 为 n 型半导体；当切线斜率为负时，说明该半导体为 p 型半导体，下图 c 中CoO 为 p 型半导体。下图 d 中出现倒 V 字型，是因为测的是 CoO@MnCo2O4 复合物

▲图片来自于：

J. Zheng, Z. Lei, Incorporation of CoO nanoparticles in 3D marigold flower like hierarchical architecture MnCo2O4 for highly boosting solar light photo oxidation and reduction ability, Applied Catalysis B: Environmental 237 (2018) 1-8.

⑵ 半导体电流密度及导带、价带的计算

半导体电流密度可以通过如下公式计算出来：

从公式中可以看出，计算出所作切线的斜率即可算出电流密度 N，通过在横坐标上的截距可以求得平带电势 EFB。对于 n 型半导体而言，平带电位比导带电位正 0.1-0.3 V；对于 p 型半导体而言，平带电位比价带电位负 0.1-0.3 eV，由此可以算出半导体的导带或价带电位。同时，根据 UV-vis DRS 测得的禁带宽度 Eg 以及公式 Eg=EVB+ECB，可以算出另一个能带的电位值。