金属氧化物电极在光解水中的性能研究

发布时间：2020-08-21 08:09

【摘要】：传统化石能源在使用中会对环境造成一定的破坏及其不可再生性,新型可再生清洁能源的研发已成为未来发展趋势。通过光电化学(PEC)电池将水光解转化为氢气和氧气,可以把我们最大的可再生能源——太阳能转化为稳定的化学燃料,是实现绿色可持续发展的重要手段之一。CuBi_2O_4凭借其无毒低价、合适的能带间隙(1.5 eV~1.8 eV)以及较大的光生电压成为极其有潜力的光电催化阴极材料。然而,其存在内部载流子传输效率低、光电流易衰减的缺陷,成为制约其发展和应用的主要瓶颈。针对CuBi_2O_4阴极材料存在的这些缺陷,本文通过厚度调节、退火调控、表面保护层覆盖来提升其光电流和工作稳定性。之后通过元素体相掺杂和助催化剂的表面修饰优化了Fe_2O_3光阳极的起始电位和光电流密度。最终将CuBi_2O_4光阴极与Fe_2O_3光阳极串联搭建了自发光解水器件。本论文主要由以下几个方面组成:(1)以CuBi_2O_4为研究对象,采用旋涂法在FTO上沉积CuBi_2O_4薄膜。通过改变旋涂法前驱体溶液的溶度,优化CuBi_2O_4薄膜的厚度,光电流密度从0.13mA/cm~2提升至0.42 mA/cm~2。之后采用缺氧退火的方式,对CuBi_2O_4进行改性。X射线光电子能谱分析表明,CuBi_2O_4薄膜的电子结构在缺氧退火过程中发生了显着的改变。通过Mott-Schottky说明缺氧退火CuBi_2O_4有着更高的载流子浓度。同时缺氧退火CuBi_2O_4在光电阴极/电解液界面处有着更小的电阻。缺氧退火调控后,CuBi_2O_4光阴极的光电流提升至0.67 mA/cm~2。(2)通过SEM表征发现,未沉积保护层的CuBi_2O_4薄膜在稳定性测试后其表面结构发生了改变,出现很多的不规则颗粒。采用磁控溅射的方法,在CuBi_2O_4薄膜上沉积了均匀的TiO_2保护层。TiO_2保护层同时可以钝化CuBi_2O_4薄膜的表面,减少光生载流子在半导体/电解液界面处的复合,提升其光电流。溅射时间为50 min时,光阴极的电流密度最大,为0.82 mA/cm~2,但不足以给CuBi_2O_4薄膜在工作条件下以足够的保护作用。当溅射时间为130 min时,TiO_2保护层的厚度太厚,会阻碍光生载流子的输运,降低光阴极的性能。最后选取90 min为TiO_2保护层最优的溅射时间,即可以提升光电流至0.77 mA/cm~2,又能有效地抑制CuBi_2O_4薄膜在电解液中的光腐蚀现象。(3)采用水热法制备了Co掺杂的Fe_2O_3纳米棒,通过旋涂法在其表面修饰了CoFeO_x助催化剂,优化了Fe_2O_3光阳极的起始电位和光电流密度。优化的Fe_2O_3光电阳极上的起始电位为0.55 V_(RHE),较未优化的Fe_2O_3光电阳极样品相比有着320 mV的阴极偏移。同时,在1.23 V_(RHE)下,其光电流密度提高至0.81 mA/cm~2。最后利用具有高光生电压的p型CuBi_2O_4与优化的Fe_2O_3光阳极来搭建串联电池。在AM 1.5G条件下的其能量转化效率为0.15%。同时,该金属氧化物基光解水电池有着合理的长期稳定性。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2;O646
【图文】：

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图 1-1 半导体受光激发分解水原理示意图Fig1-1. Schematic illustration of water splitting reaction 自发光解水器件介绍参与光电极的类型，自发光电化学分解水电池可以分为以下五体分解水电池（Single photoanode PEC cell），单个 n 型半导体lephotocathodePECcell），p 型半导体和光伏电池串联的分解水cell），n 型半导体和光伏电池串联的分解水电池（n-PV PEC cｎ型半导体构成的串联分解水电池（p-n PEC cell）。26这五种水电池的工作原理如下：图 1-2（或图 1-3）为单个 p 型半导体（或者 n 型半导体）分解体吸收能量大于或等于其能带间隙的光子之后，形成光生电。p 型半导体和电解液接触之后，如图 1-2 所示，能带弯曲并产

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单个 p 型光阴极与金属对电极组成的自发分解水电池262. Standard single semiconductor devices based on a photocathode withr electrode26

【参考文献】