金属化合物半导体在光电化学分解水制氢中的应用
发布时间：2020-11-04 04:06
随着世界能源需求的迅速增长,氢气作为一种高能燃料,具有原料可持续和产物无污染的优点,是化石燃料的绝佳替代品。目前,氢能源仅被应用到一些高科技领域,但是随着经济和技术的发展,氢能源终将会作为清洁能源而被广泛应用的社会各个领域。基于太阳能的光电化学分解水制氢技术由日本科学家Fujishima等在1971年报道以来,被认为是最经济、环保的氢能源获得方式之一。典型的光电化学制氢装置由光阳极和光阴极两部分组成,中间由离子隔膜分开,其中光电极是决定光解水制氢性能的核心部件。在光电化学分解水过程中,半导体光阳极吸收能量高于其带隙能的光子产生电子-空穴对,在内建电场或外加偏压的作用下电子-空穴对发生分离,然后分别到达光阴极和光阳极的表面并与电解液发生氧化还原反应产生氧气和氢气。考虑到能带和成本,这里的光电极往往是金属化合物半导体组成。在过去的几十年,研究者通过修饰、改性已有和研发新材料来提升半导体光电极性能,并取得了一系列显著的成果,然而其性能仍远低于理论值。归根到底,其性能受限于金属化合物半导体自身载流子生成和收集的矛盾关系,同时也受限于载流子的向内-向外传输损失。针对载流子生成和收集的矛盾,本论文采用化学气相沉积法在导电玻璃基底上生长出具有单晶属性的SnO_2/ITO单晶纳米线阵列作为高效的导电网络,有效避免了由于晶界导致的载流子散射和复合。然后,在导电网络上采用电化学沉积窄禁带半导体作为吸光层,组成核壳异质结构光阳极阵列。通过此设计,添加一个维度将二维的光吸收转变成三维,载流子传输距离始终保持在较短的范围内(20 nm)。针对载流子传输问题,本论文对不同区域的传输区分解决:对于半导体内部的传输,通过核壳异质结构,采用内部单晶纳米线作为高效的电荷传输通道;对于界面上的电荷传输,本论文提出采用电荷传输层修饰半导体表面。通过碳基电荷传输层,将原本半导体和助催化剂的固-固点接触转变为二维面接触,显著提升了电荷在半导体/电荷传输层/催化剂/电解液界面上的传输。本论文针对金属化合物半导体光电化学分解水研究中存在的核心问题,展开研究,提出了相应的解决方案,并从实验和理论上分析了其工作机制。本论文的研究极大地丰富了半导体光电极的纳米结构设计;同时本论文提出了采用碳基材料作为电荷传输层,将极大地提升光电极的光电化学性能,将推动金属化合物半导体光电化学分解水器件的发展。
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ116.2;TN304.2
【部分图文】：
一些解决途径及其局限。最后在自身工作的基础上提出有效的提升方案。1.1 化石能源的危机自 17 世纪以来，人类赖以生存的能源从植物能源时代进入化石能源时代，伴随着能源革命的发生，人类社会进入了工业时代。整个世界对以煤炭为代表的的固体化石能源的消耗量从 1830 年的 30%迅速上升到 1888 年的 48%。随着社会生产力的进一步提高，在世界范围内人口医疗卫生保障体系逐渐建立，全球人口数量持续上升，于 2019 年五月达到 77 亿。随着人口的增加，人类社会对于能源的需求也不断上升，在 2016 年达到 14 亿吨油当量。以我国为例，建国以来全国能源需求暴涨，截止 2016 年我国已成为世界最大的能源消耗国，达全球总量的 30%，美国次之，占 23%。随着不断地开采和挖掘，以煤炭， 石油，天然气为主的化石能源即将达到极限。考虑到目前已知的化石能源的储存量和持续增长的消耗量，全球的化石能源只能再坚持 50 年。此外，化石能源在地球上的
图 1-2 中国（a）和世界（b）近 20 年能源供给总量和方式的变化，数据来自 Statisticsglobalenergy data化石能源的爆发式消耗，对整个地球的生态环境造成了巨大的影响。在过去的 150 年间，化石能源燃烧过程中释放出来二氧化碳正在以前所未有的速度积累在地球大气层，目前大气中二氧化碳的含量已达到 411ppm，引起严重的温室效应，导致全球气温持续升高，相比于 1880 年升高了 0.9 ℃，图 1-2b。伴随着全球气温升高，格陵兰岛和北极的冰川出现大面积消失，海平面在过去的一百年间上升了 17.8 cm；各地出现极端气候的次数也大大上升，如近年来越来越严重的森林山火，干旱以及飓风，海啸等，图 1-3。同时，气候变化导致的饥荒等问题会引起严重的政治动荡。为了应对全球气候变暖以及随之而来的危害，134 个国家商议通过了《巴黎协定》，通过迅速减少全球二氧化碳的排放量，将气温升高控制在比工业革命前高于 1.5℃的范围内。为了实现这个目标，必须在未来的几十年内，在世界范围内将能源重心从化石能源转移到其他可持续清洁能源。总的来说，经过近 150 多年的发展到达 20 世纪后期，以化石能源为主的发
图 1-3 气温升高对于人类生存的威胁，图片来自 NASAglobal climate change database（4）会产生难以处理的具有危险辐射性的副产物。尽管存在以上的限制条件，核能已经是一种相对成熟的技术，可以在早期转变能源供应的舞台上做出贡献图 1-4 是目前全球可再生能源分布随时间的变化图。可再生能源主要包括地热能，太阳热能，水电能，太阳光电能，海洋潮汐能和风能，其中水电能在 200年以前几乎占有全部的可再生能源，此后，风能和太阳光电能从无到有，且迅速
本文编号：2869588
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ116.2;TN304.2
【部分图文】：
一些解决途径及其局限。最后在自身工作的基础上提出有效的提升方案。1.1 化石能源的危机自 17 世纪以来，人类赖以生存的能源从植物能源时代进入化石能源时代，伴随着能源革命的发生，人类社会进入了工业时代。整个世界对以煤炭为代表的的固体化石能源的消耗量从 1830 年的 30%迅速上升到 1888 年的 48%。随着社会生产力的进一步提高，在世界范围内人口医疗卫生保障体系逐渐建立，全球人口数量持续上升，于 2019 年五月达到 77 亿。随着人口的增加，人类社会对于能源的需求也不断上升，在 2016 年达到 14 亿吨油当量。以我国为例，建国以来全国能源需求暴涨，截止 2016 年我国已成为世界最大的能源消耗国，达全球总量的 30%，美国次之，占 23%。随着不断地开采和挖掘，以煤炭， 石油，天然气为主的化石能源即将达到极限。考虑到目前已知的化石能源的储存量和持续增长的消耗量，全球的化石能源只能再坚持 50 年。此外，化石能源在地球上的
图 1-2 中国（a）和世界（b）近 20 年能源供给总量和方式的变化，数据来自 Statisticsglobalenergy data化石能源的爆发式消耗，对整个地球的生态环境造成了巨大的影响。在过去的 150 年间，化石能源燃烧过程中释放出来二氧化碳正在以前所未有的速度积累在地球大气层，目前大气中二氧化碳的含量已达到 411ppm，引起严重的温室效应，导致全球气温持续升高，相比于 1880 年升高了 0.9 ℃，图 1-2b。伴随着全球气温升高，格陵兰岛和北极的冰川出现大面积消失，海平面在过去的一百年间上升了 17.8 cm；各地出现极端气候的次数也大大上升，如近年来越来越严重的森林山火，干旱以及飓风，海啸等，图 1-3。同时，气候变化导致的饥荒等问题会引起严重的政治动荡。为了应对全球气候变暖以及随之而来的危害，134 个国家商议通过了《巴黎协定》，通过迅速减少全球二氧化碳的排放量，将气温升高控制在比工业革命前高于 1.5℃的范围内。为了实现这个目标，必须在未来的几十年内，在世界范围内将能源重心从化石能源转移到其他可持续清洁能源。总的来说，经过近 150 多年的发展到达 20 世纪后期，以化石能源为主的发
图 1-3 气温升高对于人类生存的威胁，图片来自 NASAglobal climate change database（4）会产生难以处理的具有危险辐射性的副产物。尽管存在以上的限制条件，核能已经是一种相对成熟的技术，可以在早期转变能源供应的舞台上做出贡献图 1-4 是目前全球可再生能源分布随时间的变化图。可再生能源主要包括地热能，太阳热能，水电能，太阳光电能，海洋潮汐能和风能，其中水电能在 200年以前几乎占有全部的可再生能源，此后，风能和太阳光电能从无到有，且迅速
本文编号：2869588
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