钒酸铋异质结光电极的制备及太阳能光电化学分解水性能研究
发布时间：2020-10-16 01:46
光电化学(PEC)分解水制氢是解决能源危机和环境污染问题的一种新型能源转换技术,并且已经取得了巨大的研究进展。金属氧化物半导体具有原料丰富、微观形貌可控以及能级结构丰富等诸多优点,已经被广泛应用于PEC光电极的制备和研究。在众多半导体材料中,钒酸铋(BiVO_4)半导体由于其诸多优越性能,是用于PEC分解水制氢最有前景的氧化物基光电极之一。但是,BiVO_4也存在一些显著的缺点,主要是光生电子-空穴对复合严重和水氧化动力学缓慢限制了其实际的PEC工业应用。目前已经开发了多种方法对BiVO_4半导体进行改进,提高其整体的PEC性能。主要改进方法包括贵金属修饰、元素掺杂、窄带系半导体复合和微纳米结构调控等。本课题基于BiVO_4半导体存在的一些问题,提出了三种改进BiVO_4半导体的方案,并且借助系列表征手段,深入分析BiVO_4光电极的形貌结构、光学性质以及PEC性能,实现了一类高性能PEC分解水体系的构建。(1)我们通过电化学沉积和离子层沉积方法成功制备了Ag_2S/BiVO_4异质结光电极,并通过XRD、FE-SEM、HR-TEM、XPS等对材料进行了表征。本工作首次将Ag_2S纳米粒子修饰于BiVO_4光电极表面,有效提高了电荷传输速率,抑制了光生电子-空穴对复合。我们通过PEC性能测试发现,Ag_2S/BiVO_4异质结光电极的光电流密度和光电转换效率(IPCE)值得到显着改善。(2)以聚多巴胺(PDA)作为媒介,成功在BiVO_4光电极表面均匀沉积了Ag纳米粒子,然后将光电极在氩气下煅烧,使PDA碳化为N掺杂碳,最终获得了新型BiVO_4-C/N-Ag异质结光电极。该工作中,我们深入探讨了Ag纳米粒子和N掺杂碳在光电极系统中的作用,并对光电极的电荷传输机理进行了研究。实验结果表明,通过Ag纳米粒子和N掺杂碳修饰的BiVO_4半导体可促进电荷转移,并提高光电极稳定性。(3)为了解决BiVO_4光电极水氧化动力学缓慢的问题,我们首次借助Fe掺杂CoP(Fe/CoP)析氧催化剂来修饰光电极。系统地研究了BiVO_4-Fe/CoP光电极在紫外-可见光照射下的PEC分解水性能。BiVO_4光电极与Fe/CoP析氧催化剂的耦合可提高电荷注入效率和电荷分离效率,从而显著提高了其光电流密度和IPCE值。
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ116.21;TN304
【部分图文】：
3322氢的原理解水是利用太阳能来获得氢能的一种有效途径。对于一而言，主要由光电极、对电极、参比电极和电解溶液几 1.1 所示的 PEC 分解水装置可以看出，半导体光电极吸生光生电子-空穴对，光生空穴在光阳极上氧化水生成子通过欧姆接触迁移到光阴极上发生还原反应生成氢气作[22-23]。因此，PEC 分解水的工作原理可以分为以下三射的能量大于光电极半导体的带隙时，半导体价带上的光生电子，而价带上则形成光生空穴；（2）光生载流子，并通过外电路产生电流；（3）光生载流子进一步在半面发生氧化还原反应，将水分子分解成氧气和氢气。
江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文Fig. 1.1 Structural schematic diagram of hydrogen production from water splitting by PECsemiconductor photoelectrode.在标准条件下，通常一个 H2O 分子需要 237.2 kJ/mol 的吉布斯自由能才可分解成 H2和 1/2 O2，而此时每迁移一个电子需要的电池电动势（△E0）大约为 1.23V[25]。因此，半导体光电极 PEC 分解水制氢须符合三个条件[26]：（1）半导体的能隙大于水的分解理论电压值；（2）半导体导带位置应比 H2O 的还原电位更负；(3)半导体价带位置应比 H2O 的氧化电位更正。如图 1.2 展示了系列常见半导体相对于标准氢电极电位的能带示意图[27]。
不同反应条件下在导电玻璃基底上沉积的 BiVO4薄膜的扫描电镜图（a）45℃85℃/7h（c）100℃/3h（d）100℃/3h（截面）。. 1.3 Scanning electron microscopy of BiVO4thin films deposited on conductive tes under different reaction conditions (a) 45 ℃/40h (b) 85 ℃/7h (c) 100 ℃/3h/3h (cross section).溶胶-凝胶法984 年 Yamane 等人率先提出溶胶-凝胶制备方法[54]，通过溶胶-凝胶O4颗粒比较小，并且具有高效的光催化性能。例如，Wang 等人利所制备的 BiVO4在光分解水过程中表现出高效的催化活性[55]，该因于 BiVO4较小的纳米颗粒以及表面丰富的 OH 和 Bi5+催化活位方法具有优异的普适性，可用于其他系列金属氧化物半导体的制水热法热法是指在密封的压力容器中，以水作为溶剂进行矿化来合成材料对于其他方法，水热法制备的材料具有结晶度高、粒度小和不易
【参考文献】
本文编号：2842564
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ116.21;TN304
【部分图文】：
3322氢的原理解水是利用太阳能来获得氢能的一种有效途径。对于一而言，主要由光电极、对电极、参比电极和电解溶液几 1.1 所示的 PEC 分解水装置可以看出，半导体光电极吸生光生电子-空穴对，光生空穴在光阳极上氧化水生成子通过欧姆接触迁移到光阴极上发生还原反应生成氢气作[22-23]。因此，PEC 分解水的工作原理可以分为以下三射的能量大于光电极半导体的带隙时，半导体价带上的光生电子，而价带上则形成光生空穴；（2）光生载流子，并通过外电路产生电流；（3）光生载流子进一步在半面发生氧化还原反应，将水分子分解成氧气和氢气。
江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文Fig. 1.1 Structural schematic diagram of hydrogen production from water splitting by PECsemiconductor photoelectrode.在标准条件下，通常一个 H2O 分子需要 237.2 kJ/mol 的吉布斯自由能才可分解成 H2和 1/2 O2，而此时每迁移一个电子需要的电池电动势（△E0）大约为 1.23V[25]。因此，半导体光电极 PEC 分解水制氢须符合三个条件[26]：（1）半导体的能隙大于水的分解理论电压值；（2）半导体导带位置应比 H2O 的还原电位更负；(3)半导体价带位置应比 H2O 的氧化电位更正。如图 1.2 展示了系列常见半导体相对于标准氢电极电位的能带示意图[27]。
不同反应条件下在导电玻璃基底上沉积的 BiVO4薄膜的扫描电镜图（a）45℃85℃/7h（c）100℃/3h（d）100℃/3h（截面）。. 1.3 Scanning electron microscopy of BiVO4thin films deposited on conductive tes under different reaction conditions (a) 45 ℃/40h (b) 85 ℃/7h (c) 100 ℃/3h/3h (cross section).溶胶-凝胶法984 年 Yamane 等人率先提出溶胶-凝胶制备方法[54]，通过溶胶-凝胶O4颗粒比较小，并且具有高效的光催化性能。例如，Wang 等人利所制备的 BiVO4在光分解水过程中表现出高效的催化活性[55]，该因于 BiVO4较小的纳米颗粒以及表面丰富的 OH 和 Bi5+催化活位方法具有优异的普适性，可用于其他系列金属氧化物半导体的制水热法热法是指在密封的压力容器中，以水作为溶剂进行矿化来合成材料对于其他方法，水热法制备的材料具有结晶度高、粒度小和不易
【参考文献】
相关硕士学位论文 前1条
1 武艳强;水热法制备高结晶性半导体纳米材料[D];河南大学;2010年
本文编号：2842564
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/2842564.html
