赤铁矿基光阳极的表面修饰及其光电催化分解水的性能研究

发布时间：2021-07-20 21:05

　　随着全球人口的不断增加,对化石燃料的过度依赖加剧了能源危机和全球气候波动。如何在发展经济的同时保护地球的自然环境,这已经成为当今社会亟待解决的一个问题。因此,寻求清洁、可再生能源迫在眉睫。太阳能资源丰富,高效利用太阳能资源被认为是解决化石能源危机的有效途径。而光电催化分解水技术是利用半导体光电极直接将太阳能转化成氢能,可有效同时解决能源需求并降低对环境的污染,并且氢气也是未来最有前景的清洁能源之一。高效、稳定的半导体光电材料设计与制备是实现高性能光电催化分解水的关键。赤铁矿材料因其具备合适的禁带宽度,化学稳定性高,无毒性,地球上储备丰富等优点,是一种很有前景的半导体光电极材料。然而,它的电荷转移和分离能力较差,空穴扩散长度较短以及水氧化动力学缓慢,这些缺点都限制了赤铁矿光阳极的光电催化分解水的性能。在本文中,我们构建了理想的赤铁矿基光阳极模型,通过密度泛函理论（DFT）和X射线光电子能谱（XPS）等表征手段说明催化剂中的电子转移和光生电子空穴对的分离传输对光电催化性能的影响。本论文的研究内容主要包括以下几个方面:1、为了阐明Au纳米颗粒在光电化学性能中的特殊作用,我们提出了一种将赤铁矿... 

【文章来源】：山东师范大学山东省

【文章页数】：74 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图１－１典型光电阳极的ＰＥＣ水分解池的示意图［７］

Ｐｈｏｔｏａｎｏｄｅ?Ｐｔ??图１－１典型光电阳极的ＰＥＣ水分解池的示意图［７］。??当光电极与电解液接触时，电子在半导体以及电解液中传输，半导体的费米能级与电??解液的氧化还原电势达到平衡，从而形成肖特基结。半导体和电解质之间的电荷转移引起??能带向上（光电阳极）或向下（光电阴极）弯曲，这可以促进光生电子和空穴的分离，以??减少光生电子空穴对的复合［８＿１（）］。在每个电极上发生的氧化还原反应用以下等式表示：??Ｃａｔｈｏｄｅ：?２Ｈ＋?＋?２ｅ＇－＞Ｈ２?Ｅｏｒｅｄ＝０?Ｖ??Ｐｈｏｔｏａｎｏｄｅ：?２Ｈ２０?＋?４ｈ＋?＾?０２?＋?４Ｈ＋?Ｅ°〇ｘ＝?１．２３?Ｖ??根据上述等式，我们知道分解水需要的最小电压是１．２３?Ｖ，因此，激发一个电子的理??论最小能量应为１．２３?ｅＶ。为了满足这一要求，光电极必须吸收大于或等于１．２３?ｅＶ的能??量［１（）］。但是事实上，由于能量损失，例如电极和导线接触处的电压损失还有过电位引起??的能量损失，导致光子吸收的能量应远大于该理论值［３，８，１（Ｍ２］。为了实现自发的太阳光驱动??分解水

?ｈ?一??Ｖａｌｅｎｃｅ?ｂａｎｄ?（Ｖ．Ｂ．）??图１－２?（ａ）?ＰＥＣ水分解的三个典型步骤的示意图，（ｂ）自发的太阳能驱动分解水??所需的有利的能带结构［１３］。??为了实现有效的ＰＥＣ分解水，理想的光电极应满足以下几点要求。首先，光电极材??料的ＣＢ边缘电位应低于Ｈ２的析出电位，而ＶＢ边缘应高于０２析出电位，如图卜２ｂ所示??［＆１４］。为了补偿析氧反应（ＯＥＲ）和析氢反应（ＨＥＲ）的过电压，以及电极和电线接触时??的能量损失，自发分解水所需的带隙能量应大于１．２３?ｅＶ［３，Ｉ２］。此外，光电极还需要在太??阳光谱中具有强吸收能力，以产生大量的光生电子－空穴对。有一些在可见光区域具有有??限的光吸收的大带隙半导体材料，虽然它们可以具有合适的带边缘位置，但是并不利于光??电化学分解水。另外，半导体中有效的电荷分离和传输效率对于ＰＥＣ性能也是至关重要??的。电子和空穴的快速分离减少了载流子的复合


本文编号：3293599