二维晶体的功能性设计及其在能源转换领域的应用

发布时间：2018-03-19 02:09

本文选题：能源转换　切入点：二维晶体　出处：《中国科学技术大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着化石燃料的迅速枯竭和环境污染的日益恶化,如何实现可再生能源的有效转换成为科学们当前首要解决的一个重要且紧迫问题。在各种能源转换途径中,电催化和光催化分解水,光致发光都是常用的有效的能源转换方式。其中前两种能源转换方式是将大量的、可再生的电能和太阳能转换为化学能,而光致发光是将太阳光和紫外光转换为日常生活中可用的光。由此可以看出这几种能源转换方式对于解决目前的能源危机起着重要的作用。而这些能源转换过程的有效进行离不开起决定性作用的电催化剂、光催化剂及光致发光荧光材料。二维晶体包括准石墨烯和无机类石墨烯材料因其超薄的厚度和二维平面结构,表现出独特且有潜力的物理和化学特性,这为它们在电催化、光催化和光致发光领域的应用带来了巨大的机遇。本论文目的是通过分析以上三种能源转换过程中材料对它们性能的影响和制约因素,合理设计功能型二维晶体,以此实现高效率能源转换。作者通过引入氟端基对超薄MXene纳米片表面结构进行修饰显著提高了 MXene的电催化析氢活性。通过制备超薄硅氧烯纳米片实现硅基材料在光催化水分解领域的应用。通过在带隙可调的超薄三元纳米片中引入富畴界结构实现白光的产生。以下三点是本论文的主要内容:1.电子导电性和催化活性位点数目是影响电催化析氢性能的两个重要因素。基于此,作者通过在原子尺度下对MXene进行表面结构调控同时实现电子导电性和活性位点密度的优化,最终实现优异的电催化析氢活性。以表面含有富氟端基Ti2CTx纳米片为例。通过实验和理论计算发现富氟端基可以降低氢吸附吉布斯自由能和电荷转移电阻,因此使得Ti2CTx纳米片有良好的电子导电性和有利的电催化产氢过程。同时,富氟端基Ti2CTx纳米片的金属特性能够进一步提高电催化过程中快速的电子运输。除此之外,与其块体材料相比,Ti2CTx纳米片超薄的厚度提供大量的电化学表面积和更多的催化活性位点,极大的有利于催化反应。最终,受益于良好的电子导电性和高暴露有效活性位点,富氟端基Ti2CTx纳米片表现出优异的电催化析氢性能,具有较小的起始过电位为和较大的交换电流密度。本工作的研究为设计具有优异电催化活性的MXene基材料提供一个新思路。2.发展新型不含金属元素半导体光催化剂用于水分解产氢具有重大的科学意义。作者通过拓扑转换法合成不含金属元素的超薄硅氧烯(Si6H603)纳米片,首次用实验证明了在无助催化剂和牺牲剂条件下,硅氧烯超薄纳米片具有优异的光催化分解水制备氢气的能力。紫外-可见吸收光谱表明硅氧烯带隙为2.50 eV。莫特-肖特基曲线测试其平面电势为-0.92 Vvs银/氯化银电极,据此分析出它的导带电位比氢电极电位EH+/H2稍负,因此从理论上证明硅氧烯超薄纳米片具有光催化分解水产氢能力。通过对比在光照和黑暗条件下进行的产氢性能测试结果,作者发现尽管硅氧烯纳米片在水中不稳定,会发生水解产生少量氢气,但其自身仍具有优异的光催化产氢性能。在光照2 h的时候,其产氢速率高达11.4 mmol g-1h-1,远远超过其他已报道的金属基半导体催化剂。本工作中的发现为硅基纳米材料在光催化水分解领域的开发提供了重大的指导意义。3.通过分析增加表面态发光是单相荧光材料实现白光的最佳途径,作者首次提出了在带隙可调的二维超薄纳米片引入富畴界结构实现白光的产生。以Zn1-xCdxS三元纳米片体系为例,富畴界结构的引入极大的增加了电子-空穴复合中心,丰富了电子捕获表面态并且缩短了载流子从光生区域到复合中心的传输距离,最终产生增强的长波长表面态发光。另外,三元纳米片可调节的禁带宽度赋予其位置可调节的本征带边发光峰。因此,通过长波长的表面态发光与短波长的本征带边发光互补最终产生了白光,即当产物组分为Zn0.44Cd0.56S时,其CIE色坐标为(0.35,0.32),这一色坐标与最好的白光点坐标(0.33,0.33)很接近,因此获得了白光。本工作实现白光发光的方法也为今后新型发光材料的开发提供了重大的指导意义。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O643.36;TQ422

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