氧化铁光阳极的改性/修饰对其分解水性能影响的研究
发布时间：2021-07-29 17:50
随着人类社会飞速发展,人们对能源的需求日益增长。然而,因化石能源产生的大气和环境污染问题给人类社会的可持续发展带来了巨大挑战。因为氢元素的地球储量丰富并具有较大的燃烧热值,氢气成为最具潜力的清洁能源材料之一。自从半导体制氢技术发现以来,光电催化分解水就被视为最具潜力的制氢技术之一。由于价格低廉,禁带宽度窄,化学稳定性好等特性,氧化铁（α-Fe2O3）光阳极受到大家的广泛关注和研究。但是α-Fe2O3还存在载流子扩散距离短,载流子密度低,表面态密度高和缓慢的氧化水反应动力学过程等问题,使得其光电催化性能远远低于理论预测值。本论文将主要通过掺杂,修饰具有析氧反应（OER）活性的钝化层等方法来增加氧化铁载流子浓度,加快氧化水反应动力学过程和钝化表面态,提高其光电催化分解水的性能。本论文主要包括以下几部分的内容:（1）氧空位对氧化铁光电催化性能的影响:由于导电性差并且载流子扩散距离短,α-Fe2O3光阳极产生的光生载流子易于在体相发生复合,因此α-Fe2...
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：125 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
应用于光电催化的部分氧化物和氮氧化物的能带结构,禁带宽度标识为红线的为n型半导体，黑线为p型半导体
华中科技大学博士学位论文3<0Vvs.NHE。光生空穴和电子可以从半导体内部迁移至表面分别与溶液中的OH-或者H2O和H+发生氧化还原反应而生成氧气和氢气。此过程可以表述为：Semiconductor+hν→e+h+（1.1）2e+2H+→H2（1.2）2h++2H2O→O2+4H+（1.3）整个光催化分解水的过程可以总结为3个过程：①光的吸收即产生光生电子和空穴；②光生载流子的分离，即光生电子和空穴向半导体表面迁移；③半导体表面的氧化还原反应。由于半导体能带位置不合适或者存在杂质能级等原因无法实现全解水，大部分光催化体系都通过添加牺牲剂(甲醇或者硝酸银)实现析氢或析氧半反应。[14-16]图1.2基于半导体的光催化制氢原理。[13]Figure1.2Fundamentalprincipleofsemiconductor-basedphotocatalyticwatersplittingforhydrogengeneration.1.2.2.2半导体/电解液界面光催化和光电催化从本质上都是利用半导体吸收光从而产生电子和空穴氧化还原分解水。相较于光催化体系而言，光电催化体系发生的现象大都与半导体/电解质形成的界面有关。基于此，我们非常有必要了解半导体/电解液界面形成原理以及在偏压和光的作用下发生的变化。
7）公式中ε为半导体的相对介电常数，ε0为真空介电常数，V为外加电压，VB为平带电位，q为电子电量,n0和p0分别为半导体内的电子和空穴的浓度。半导体的空间扩散宽度与半导体的载流子浓度和外加电压都有着直接的关系。与半导体接触的电解液中形成双电层即亥姆赫兹层（Helmholtzlayer）和古伊层（Gouylayer）。亥姆赫兹层的宽度约0.3–0.5nm，不依赖于半导体自身的特性。而古伊层取决于电解液的溶度，在稀溶液中约为10~100nm而在浓的（1摩尔/升）电解液中则为单分子层。所以在浓的电解液中，古伊层可以忽略。[18]图1.4施加外偏压对n型半导体的影响。[19]Figure1.4Effectofapplyingabiasvoltage(VA)toann-typesemiconductorphotoelectrode.为了将电解液的能级和半导体的能级联系起来，引入一个非常重要的半导体衡量参数—平带电位（flatpotential）。可以用相对于标准氢电极（NHE）或者可逆氢
本文编号：3309776
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：125 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
应用于光电催化的部分氧化物和氮氧化物的能带结构,禁带宽度标识为红线的为n型半导体，黑线为p型半导体
华中科技大学博士学位论文3<0Vvs.NHE。光生空穴和电子可以从半导体内部迁移至表面分别与溶液中的OH-或者H2O和H+发生氧化还原反应而生成氧气和氢气。此过程可以表述为：Semiconductor+hν→e+h+（1.1）2e+2H+→H2（1.2）2h++2H2O→O2+4H+（1.3）整个光催化分解水的过程可以总结为3个过程：①光的吸收即产生光生电子和空穴；②光生载流子的分离，即光生电子和空穴向半导体表面迁移；③半导体表面的氧化还原反应。由于半导体能带位置不合适或者存在杂质能级等原因无法实现全解水，大部分光催化体系都通过添加牺牲剂(甲醇或者硝酸银)实现析氢或析氧半反应。[14-16]图1.2基于半导体的光催化制氢原理。[13]Figure1.2Fundamentalprincipleofsemiconductor-basedphotocatalyticwatersplittingforhydrogengeneration.1.2.2.2半导体/电解液界面光催化和光电催化从本质上都是利用半导体吸收光从而产生电子和空穴氧化还原分解水。相较于光催化体系而言，光电催化体系发生的现象大都与半导体/电解质形成的界面有关。基于此，我们非常有必要了解半导体/电解液界面形成原理以及在偏压和光的作用下发生的变化。
7）公式中ε为半导体的相对介电常数，ε0为真空介电常数，V为外加电压，VB为平带电位，q为电子电量,n0和p0分别为半导体内的电子和空穴的浓度。半导体的空间扩散宽度与半导体的载流子浓度和外加电压都有着直接的关系。与半导体接触的电解液中形成双电层即亥姆赫兹层（Helmholtzlayer）和古伊层（Gouylayer）。亥姆赫兹层的宽度约0.3–0.5nm，不依赖于半导体自身的特性。而古伊层取决于电解液的溶度，在稀溶液中约为10~100nm而在浓的（1摩尔/升）电解液中则为单分子层。所以在浓的电解液中，古伊层可以忽略。[18]图1.4施加外偏压对n型半导体的影响。[19]Figure1.4Effectofapplyingabiasvoltage(VA)toann-typesemiconductorphotoelectrode.为了将电解液的能级和半导体的能级联系起来，引入一个非常重要的半导体衡量参数—平带电位（flatpotential）。可以用相对于标准氢电极（NHE）或者可逆氢
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