室温光催化甲醇燃料电池半导体光阳极的制备及其光电性质研究

发布时间：2020-08-16 22:11

【摘要】：严重的环境问题和能源危机已经制约了人类的发展,因此,开发清洁、安全的可再生能源是当前的主要任务,众所周知太阳能是最可靠的清洁可再生能源,寻找一种安全、高效的方法,大幅度提高能源的利用率,是科学家们努力的方向。本文选择一维TiO_2,ZnO和Fe_2O_3纳米棒阵列及多孔TiO_2微球、TiO_2(P25)作为光催化甲醇燃料电池的光电阳极,设计室温光催化甲醇燃料电池装置,利用半导体电极中光生空穴参与燃料分子的氧化,将太阳能和化学能共同转化至电能。TiO_2和ZnO被认为是经典的光电催化材料,具有相似的能带水平,对光生电荷有很强的分离能力。Fe_2O_3具有更窄的带隙,可以利用可见光对水氧化。这三种半导体的价带(VB)位置低于甲醇的氧化电位,可以将甲醇氧化成二氧化碳。本文主要工作如下:1.以FTO导电玻璃(掺氟的二氧化锡)为基底,用水热法制备TiO_2、ZnO、Fe_2O_3纳米棒阵列,将其作为光催化甲醇燃料电池的光阳极,在室温下进行有效的甲醇氧化反应。莫特肖特基(Mott-Schottky)方程和循环伏安法(CV)及结合电化学分析法揭示了系统中电荷转移和甲醇氧化的热力学可行性。时间分辨瞬态表面光伏(SPV)讨论了光生电荷的传输机理。基于ZnO光电阳极获得的最大短路电流为1.82 mA/cm~2,开路电压为1.12 V,基于TiO_2光电阳极的开路电压可达到1.34 V。该研究可实现太阳能-电能、化学能-电能的协同转化,为未来解决能源和环境问题提供了一种可行方法。2.用水热法合成多孔TiO_2微球,以FTO导电玻璃(掺氟的二氧化锡)为基底,采用涂膜法将制成TiO_2微球与TiO_2(P25)粉末均匀地涂在FTO导电玻璃上,同样,将其作为光催化甲醇燃料电池的光阳极,在室温下进行有效的甲醇氧化反应,得到的光电化学性能测试结果为:基于TiO_2(P25)光电阳极获得的最大短路电流为3.65 mA/cm~2,基于TiO_2光电阳极有1.42 V的开路电压。
【学位授予单位】：辽宁大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O646.54;TM911.4
【图文】：

化进程不断加深，使现有的传统化石能源、资源已经满足不需求，如图 1-1 所示，为过去，现在和未来（预期）世界的统计数据计算，目前全球每年的用电量 12 TW，到 2050 年预又增加一倍，将有 12 TW 赤字的挑战。全球电力生产总量的源，其余 78％均来自不可再生能源[1-3]。

-2 不同晶型 TiO2的结构：（a）锐钛矿（b）金红石（c）板钛矿（d）TiO2（B）TiO2常见的晶形结构有四种，如图 1-2 所示，这四种 TiO2结构的基本 TiO6八面体，在不同的结构中以不同的方式共享边缘和顶点。TiO2iO2的亚稳态结构[17,18]。它具有开放式孔道结构。在这四种晶型中锐钛

近期 Nakata[20]等人对 TiO2半导体光催化技术在环境与能源两方面的成综述性文章，阐述了 TiO2结构对光催化反应的影响。如图 1-3 所示结构维度方面分析，来说明比表面积、吸附、反射率、附着力和载流能等因素对 TiO2光催化性能的影响。

【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 李强,霍丽华,高山,赵经贵;准立方体α-Fe_2O_3纳米薄膜的紫外和红外光谱研究[J];光散射学报;2003年04期

2 胡鸿飞,李大成,吉红兵;纳米氧化铁的制备方法及进展[J];四川有色金属;2001年01期

相关博士学位论文 前2条

1 鲁莲;溴氧化铋的光催化和光电催化性能研究[D];浙江大学;2018年

2 郭薇;纳米半导体材料对新型薄膜太阳能电池性能影响的研究[D];大连理工大学;2013年

相关硕士学位论文 前2条

1 李坚;纳米CdS复合材料的制备及其光催化性能研究[D];安徽大学;2018年

2 吴名科;CdS多孔密堆量子点敏化太阳能电池[D];天津大学;2012年

本文编号：2795018