SnX 2 （X=S,Se）基光阳极的构建及其光电催化性能研究
发布时间：2021-09-23 19:32
随着21世纪能源短缺和环境污染两大世界性难题日益凸显,全世界正经受着前所未有的巨大挑战,积极探索并开发地球储量丰富、低成本、无毒无污染、绿色环保型的可再生清洁能源是有效解决人类生存环境继续恶化的有效途径之一,具有长远性和战略性的意义。氢气是一种高能量密度的可再生清洁能源,因便于存储、运输且适用性广等优点而备受关注。光电催化技术被评为是最廉价、高效、便捷、可持续应用的先进型技术手段,通过光阳极和光阴极的氧化/还原反应快速地将太阳能转化为化学能并以化学键的形式存储,该过程类似于自然界中的光合作用。光电催化过程中,光电极的高效性、稳定性和重复性是当前科学研究的热点问题之一。半导体光电催化主要涉及光的吸收、光生载流子的分离和迁移、表界面氧化/还原反应等过程,故光电极结构需具有宽光谱响应、快速载流子分离和迁移效率及高效表面化学反应等特点。在诸多半导体材料中,IV-VI族化合物SnS2和SnSe2因其独特的层状结构而具有载流子迁移率高、对紫外-可见-近红外光响应性能好及光电催化效率高等特点,在光电催化领域中展现出巨大的潜力及应用前景。本论文构建了多种高效...
【文章来源】：西北大学陕西省 211工程院校
【文章页数】：200 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
太阳能电池制氢、制氧应用及其氢燃料加气站概念图[12]
西北大学博士学位论文4工作电极、电解槽和电解液等五部分组成，工作电极根据半导体的类型可以分为光阳极（n型半导体）和光阴极（p型半导体）。图1.2半导体光电催化分解水机理示意图Fig.1.2Schematicillustrationofsemiconductorforphotoelectrochemicalwatersplitting以光阳极为例（图1.2a所示），在光照条件下，n型半导体吸收高能光子（光子能量等于或大于半导体禁带宽度），使其价带中的电子（e-）被激发至导带产生光生电子-空穴对（e-/h+）。由于n型半导体的费米能级与电解液氧化/还原电位的电势差而致使半导体表面的能带向上弯曲并形成空间电荷区，光生电子/空穴在空间电荷区中电场力的作用下发生分离[14]。在外加电压（外电场）作用下，半导体导带中的e-迁移至对电极（Pt丝）表面，直接与电解液中的H+发生还原反应，生成H2（析氢反应）；而半导体价带中的h+在电场力的作用下迁移至光阳极的表面，直接与电解液中的OH-发生氧化反应，生成O2（析氧反应），从而就实现了半导体经过光电催化过程将电解液中的H2O分子氧化/还原成O2和H2。该光阳极的光电催化过程可以由以下公式进行描述：hvVBCBSemiconductorhe(1.1)对电极表面：22H2eHgE0=0Vvs.RHE(1.2)光阳极表面：22122HOOgHE0=1.23Vvs.RHE(1.3)电极总反应：22212HOOgHg△E=1.23Vvs.RHE(1.4)同理可知，对于p型半导体（光阴极）如图1.2b所示，光阴极导带中的e-与电解液中的H+发生的是还原反应，产生H2；而对电极表面的h+与电解液中的OH-发生的是氧化反应，产生O2。由以上公式可知，在常温25oC和标准气压条件下，水分解时所需的热力学电压为1.23V。为实现高效光电催化分解水制氢，外加电压通常选择大于1.23V。图1.2c是由光阳极和光阴极串联起来组成
第一章绪论5阴极均为半导体材料，可以同时受光激发产生大量的电子-空穴对。由于电极/电解液界面处的能带弯曲形成了空间电荷区，光生电子-空穴对在空间电荷区内电场的作用下迫使分离并分别迁移至光阴极和光阳极表面，因此无需外加偏压即可实现光电催化分解水并产生H2和O2。1.2.2光电极材料的基本要求根据图1.3[15]可以看出，太阳光谱辐射的能量密度随着波长（300-1000nm）的变化而变化，大致可以分为3部分：紫外光波段（300-400nm）、可见光波段（400-750nm）和近红外光波段（750-1000nm），其中紫外光波段仅约占总能谱的5%，可见光波段约占总能谱的43%，其余的为近红外光波段。由此来看，半导体的带隙对光电极的光谱利用效率具有决定性的作用。因此，为了获得高的光-氢转换效率（Solar-to-hydrogenenergyconversionefficiency，即STH）和光电流密度，应该将光电极材料的光谱拓宽至可见光波段、乃至近红外光波段。考虑到过电位要求（0.4-0.6eV）和能量损失（0.3-0.4eV），半导体的理想带隙应该约为2.0eV，而对应的吸收边带约为620nm[15-19]。图1.3在标准AM1.5G(100mWcm-2)太阳光谱下，基于半导体带隙的光电极最大理论光-氢转换效率和光电流密度谱[15]Fig.1.3TheoreticalmaximumSTHefficiencyandphotocurrentdensityofphotoelectrodesbasedonthebandgapundertheilluminationofAM1.5Gsolarspectrum(100mWcm2)在同一个光电催化系统中，要实现光电极材料能够从太阳能-化学能的高效转换，不仅仅需要考虑半导体的带隙，其结构、形貌等对太阳能的吸收和利用效率也是非常关键的因素。尤其光催化剂/光电极材料应用于太阳能分解水制氢和制氧时，所需的光催化剂
【参考文献】：
期刊论文
[1]氢能利用与发展综述[J]. 于蓬,王健,郑金凤,张亮修,王恒元. 汽车实用技术. 2019(24)
[2]CO2资源化利用的现状及前景[J]. 王晓刚,李立清,唐琳,郭三霞,高招. 化工环保. 2006(03)
本文编号：3406285
【文章来源】：西北大学陕西省 211工程院校
【文章页数】：200 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
太阳能电池制氢、制氧应用及其氢燃料加气站概念图[12]
西北大学博士学位论文4工作电极、电解槽和电解液等五部分组成，工作电极根据半导体的类型可以分为光阳极（n型半导体）和光阴极（p型半导体）。图1.2半导体光电催化分解水机理示意图Fig.1.2Schematicillustrationofsemiconductorforphotoelectrochemicalwatersplitting以光阳极为例（图1.2a所示），在光照条件下，n型半导体吸收高能光子（光子能量等于或大于半导体禁带宽度），使其价带中的电子（e-）被激发至导带产生光生电子-空穴对（e-/h+）。由于n型半导体的费米能级与电解液氧化/还原电位的电势差而致使半导体表面的能带向上弯曲并形成空间电荷区，光生电子/空穴在空间电荷区中电场力的作用下发生分离[14]。在外加电压（外电场）作用下，半导体导带中的e-迁移至对电极（Pt丝）表面，直接与电解液中的H+发生还原反应，生成H2（析氢反应）；而半导体价带中的h+在电场力的作用下迁移至光阳极的表面，直接与电解液中的OH-发生氧化反应，生成O2（析氧反应），从而就实现了半导体经过光电催化过程将电解液中的H2O分子氧化/还原成O2和H2。该光阳极的光电催化过程可以由以下公式进行描述：hvVBCBSemiconductorhe(1.1)对电极表面：22H2eHgE0=0Vvs.RHE(1.2)光阳极表面：22122HOOgHE0=1.23Vvs.RHE(1.3)电极总反应：22212HOOgHg△E=1.23Vvs.RHE(1.4)同理可知，对于p型半导体（光阴极）如图1.2b所示，光阴极导带中的e-与电解液中的H+发生的是还原反应，产生H2；而对电极表面的h+与电解液中的OH-发生的是氧化反应，产生O2。由以上公式可知，在常温25oC和标准气压条件下，水分解时所需的热力学电压为1.23V。为实现高效光电催化分解水制氢，外加电压通常选择大于1.23V。图1.2c是由光阳极和光阴极串联起来组成
第一章绪论5阴极均为半导体材料，可以同时受光激发产生大量的电子-空穴对。由于电极/电解液界面处的能带弯曲形成了空间电荷区，光生电子-空穴对在空间电荷区内电场的作用下迫使分离并分别迁移至光阴极和光阳极表面，因此无需外加偏压即可实现光电催化分解水并产生H2和O2。1.2.2光电极材料的基本要求根据图1.3[15]可以看出，太阳光谱辐射的能量密度随着波长（300-1000nm）的变化而变化，大致可以分为3部分：紫外光波段（300-400nm）、可见光波段（400-750nm）和近红外光波段（750-1000nm），其中紫外光波段仅约占总能谱的5%，可见光波段约占总能谱的43%，其余的为近红外光波段。由此来看，半导体的带隙对光电极的光谱利用效率具有决定性的作用。因此，为了获得高的光-氢转换效率（Solar-to-hydrogenenergyconversionefficiency，即STH）和光电流密度，应该将光电极材料的光谱拓宽至可见光波段、乃至近红外光波段。考虑到过电位要求（0.4-0.6eV）和能量损失（0.3-0.4eV），半导体的理想带隙应该约为2.0eV，而对应的吸收边带约为620nm[15-19]。图1.3在标准AM1.5G(100mWcm-2)太阳光谱下，基于半导体带隙的光电极最大理论光-氢转换效率和光电流密度谱[15]Fig.1.3TheoreticalmaximumSTHefficiencyandphotocurrentdensityofphotoelectrodesbasedonthebandgapundertheilluminationofAM1.5Gsolarspectrum(100mWcm2)在同一个光电催化系统中，要实现光电极材料能够从太阳能-化学能的高效转换，不仅仅需要考虑半导体的带隙，其结构、形貌等对太阳能的吸收和利用效率也是非常关键的因素。尤其光催化剂/光电极材料应用于太阳能分解水制氢和制氧时，所需的光催化剂
【参考文献】：
期刊论文
[1]氢能利用与发展综述[J]. 于蓬,王健,郑金凤,张亮修,王恒元. 汽车实用技术. 2019(24)
[2]CO2资源化利用的现状及前景[J]. 王晓刚,李立清,唐琳,郭三霞,高招. 化工环保. 2006(03)
本文编号：3406285
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