纳米Au植入与表面助催化剂修饰对BiVO 4 薄膜光电化学性能的改性研究
发布时间：2021-11-22 22:53
随着工业化的发展,环境污染和能源危机已成为制约人类可持续发展的两大主要难题。为此,寻求制备清洁能源的新方法是解决问题的关键。氢能由于其热值高以及产物无污染等诸多特点被认为是最理想的传统化石燃料的代替品。利用太阳能获取氢气近年来受到了广泛关注。钒酸铋（Bi VO4）具有较窄的禁带宽度（Eg=2.4 e V）、廉价易得和储量丰富等优点,是一种很有前景的半导体光催化材料。然而Bi VO4材料也存在着导电性差、空穴扩散距离短、表面产氧动力学过程缓慢等不利因素,限制了其光催化制氢的效率。本学位论文通过将Au纳米颗粒在Bi VO4薄膜的内部植入以及负载Co-Pi、Ni Fe LDH等催化剂对Bi VO4光阳极进行改性,以求揭示纳米Au在调控Bi VO4薄膜吸光、“热电子”转移等方面的物理机制以及Co-Pi、Ni Fe LDH等析氧助催化剂在加速光阳极水氧化动力学方面的主要机理,具体内容如下:1、通过等离子体溅射和空气退火等技术成功地将金（Au）纳米颗粒植入到Bi VO...
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：55 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
990年以来全球能源消耗情况[1]
湘潭大学硕士毕业论文3氧化反应，电子在阴极发生还原反应。对大多数n型半导体材料来说，在半导体材料和电解液的接触面会形成空间电荷耗尽层，在太阳光照射下，半导体材料和电解液的内在功函数（即氧化还原电位）之间的差异造成能带弯曲，半导体材料因光吸收所产生的光生电子-空穴对会在能带弯曲所形成的空间电场作用下发生分离。价带中的电子激发到导带中，经由外电路转移到光阴极，发生还原的析氢反应（HER），价带中的空穴向电解液和半导体材料的界面转移，发生氧化的析氧反应（OER）。整个光解水的过程可由以下公式解释[17]：（1.1）（1.2）（1.3）（1.4）图1.2n型半导体光阳极光解水制氢原理示意图水是一种非常稳定的化合物，把水分解成氢气和氧气是一个自由能增大的非自发反应过程。在标准状态下把1mol水分解成氢气和氧气的所需要的能量为237KJ。在上式（1.4）水分解成氧气和氢气的能量变化量，E=1.23Vvs.RHE，由此可知，水的理论分解电压为1.23V，实际反应中，水分解的电压可表述成U=U0+IR+H+O，式中U0为水的理论分解电压，I是分解电流，R为电解槽总电阻，H为析氢时产生的过电位，O为析氧时产生的过电位。当光电阳极所吸
湘潭大学硕士毕业论文5图1.3pH=0时各种半导体相对于标准氢电极和真空能级的能带位置及HER和OER的氧化还原电位1.2.2.2材料的稳定性作为工作电极的理想半导体材料需要在光照和黑暗条件下都保持较好的稳定性，即在光照下不会发生光腐蚀，在水溶液体系下不会发生化学腐蚀。所谓的光腐蚀指的是，作为光电极的半导体材料在光照情况下所产生的光生电子和空穴还原或者氧化了其本身，而不是用于驱动析氢或者析氧反应的发生，降低了半导体材料的分解水性能。无化学腐蚀指的是，半导体材料在水溶液环境中，不会与电解液发生化学反应，从而破坏材料本身。制备具有宽光谱吸收且长效稳定的窄带半导体光电极材料是当前PEC分解水制氢课题面临的一个大的挑战。在实验中，通常用在连续光照情况下的电流密度随时间的变化曲线来评估半导体材料的稳定性[22-24]。1.2.2.3材料的成本作为PEC分解水的光电极材料不仅需要高效和稳定，成本也是作为衡量半导体材料光电极的一大重要因素。美国相关部门曾做过一个模拟计算，他们将太阳能电池和电解槽串联，利用太阳光分解水产氢，经计算每产生一公斤的氢气所消耗的成本在1.6~10.4美元之间，这表明在生产成本上商业规模的PEC分解水并不比化石燃料有多大优势[25]。对PEC分解水的商用来说，真正的突破在于保持高效性能的同时降低光电极的生产成本，寻找由地球储量丰富的元素且相对比较容易制备的半导体材料是关键所在。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Recent Progress on Visible Light Responsive Heterojunctions for Photocatalytic Applications[J]. Songcan Wang,Jung-Ho Yun,Bin Luo,Teera Butburee,Piangjai Peerakiatkhajohn,Supphasin Thaweesak,Mu Xiao,Lianzhou Wang. Journal of Materials Science & Technology. 2017(01)
[2]海洋能发电技术的发展现状与前景[J]. 游亚戈,李伟,刘伟民,李晓英,吴峰. 电力系统自动化. 2010(14)
[3]核能发电的优点及世界核电发展动向[J]. 史永谦. 能源工程. 2007(01)
[4]我国风力发电现状和展望[J]. 王晓蓉,王伟胜,戴慧珠. 中国电力. 2004(01)
[5]太阳能光解水制氢的研究进展[J]. 上官文峰. 无机化学学报. 2001(05)
博士论文
[1]钒酸铋基光催化材料的制备及其性能研究[D]. 陈龙.中国地质大学 2017
[2]中国新能源发展研究[D]. 张海龙.吉林大学 2014
[3]钒酸铋和二氧化钛多孔材料：微结构的功能调控作用[D]. 苏娟.吉林大学 2013
硕士论文
[1]钒酸铋/卤化银复合材料的制备及其光催化性能研究[D]. 姚航.昌吉学院 2019
本文编号：3512598
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：55 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
990年以来全球能源消耗情况[1]
湘潭大学硕士毕业论文3氧化反应，电子在阴极发生还原反应。对大多数n型半导体材料来说，在半导体材料和电解液的接触面会形成空间电荷耗尽层，在太阳光照射下，半导体材料和电解液的内在功函数（即氧化还原电位）之间的差异造成能带弯曲，半导体材料因光吸收所产生的光生电子-空穴对会在能带弯曲所形成的空间电场作用下发生分离。价带中的电子激发到导带中，经由外电路转移到光阴极，发生还原的析氢反应（HER），价带中的空穴向电解液和半导体材料的界面转移，发生氧化的析氧反应（OER）。整个光解水的过程可由以下公式解释[17]：（1.1）（1.2）（1.3）（1.4）图1.2n型半导体光阳极光解水制氢原理示意图水是一种非常稳定的化合物，把水分解成氢气和氧气是一个自由能增大的非自发反应过程。在标准状态下把1mol水分解成氢气和氧气的所需要的能量为237KJ。在上式（1.4）水分解成氧气和氢气的能量变化量，E=1.23Vvs.RHE，由此可知，水的理论分解电压为1.23V，实际反应中，水分解的电压可表述成U=U0+IR+H+O，式中U0为水的理论分解电压，I是分解电流，R为电解槽总电阻，H为析氢时产生的过电位，O为析氧时产生的过电位。当光电阳极所吸
湘潭大学硕士毕业论文5图1.3pH=0时各种半导体相对于标准氢电极和真空能级的能带位置及HER和OER的氧化还原电位1.2.2.2材料的稳定性作为工作电极的理想半导体材料需要在光照和黑暗条件下都保持较好的稳定性，即在光照下不会发生光腐蚀，在水溶液体系下不会发生化学腐蚀。所谓的光腐蚀指的是，作为光电极的半导体材料在光照情况下所产生的光生电子和空穴还原或者氧化了其本身，而不是用于驱动析氢或者析氧反应的发生，降低了半导体材料的分解水性能。无化学腐蚀指的是，半导体材料在水溶液环境中，不会与电解液发生化学反应，从而破坏材料本身。制备具有宽光谱吸收且长效稳定的窄带半导体光电极材料是当前PEC分解水制氢课题面临的一个大的挑战。在实验中，通常用在连续光照情况下的电流密度随时间的变化曲线来评估半导体材料的稳定性[22-24]。1.2.2.3材料的成本作为PEC分解水的光电极材料不仅需要高效和稳定，成本也是作为衡量半导体材料光电极的一大重要因素。美国相关部门曾做过一个模拟计算，他们将太阳能电池和电解槽串联，利用太阳光分解水产氢，经计算每产生一公斤的氢气所消耗的成本在1.6~10.4美元之间，这表明在生产成本上商业规模的PEC分解水并不比化石燃料有多大优势[25]。对PEC分解水的商用来说，真正的突破在于保持高效性能的同时降低光电极的生产成本，寻找由地球储量丰富的元素且相对比较容易制备的半导体材料是关键所在。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Recent Progress on Visible Light Responsive Heterojunctions for Photocatalytic Applications[J]. Songcan Wang,Jung-Ho Yun,Bin Luo,Teera Butburee,Piangjai Peerakiatkhajohn,Supphasin Thaweesak,Mu Xiao,Lianzhou Wang. Journal of Materials Science & Technology. 2017(01)
[2]海洋能发电技术的发展现状与前景[J]. 游亚戈,李伟,刘伟民,李晓英,吴峰. 电力系统自动化. 2010(14)
[3]核能发电的优点及世界核电发展动向[J]. 史永谦. 能源工程. 2007(01)
[4]我国风力发电现状和展望[J]. 王晓蓉,王伟胜,戴慧珠. 中国电力. 2004(01)
[5]太阳能光解水制氢的研究进展[J]. 上官文峰. 无机化学学报. 2001(05)
博士论文
[1]钒酸铋基光催化材料的制备及其性能研究[D]. 陈龙.中国地质大学 2017
[2]中国新能源发展研究[D]. 张海龙.吉林大学 2014
[3]钒酸铋和二氧化钛多孔材料：微结构的功能调控作用[D]. 苏娟.吉林大学 2013
硕士论文
[1]钒酸铋/卤化银复合材料的制备及其光催化性能研究[D]. 姚航.昌吉学院 2019
本文编号：3512598
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