结构化光阳极的可控制备、调控及光电催化性能研究

发布时间：2021-10-04 21:58

　　光电化学（Photoelectrochemical,PEC）分解水制氢技术是促进清洁能源转换和缓解环境问题的重要途径之一,已发展为当前能源化学与环境化学等交叉领域的研究热点。光电催化分解水时,光阳极上发生四电子的转移过程,是整个反应体系的速控步,所以光阳极的设计和制备成为这一领域的关键问题。影响光阳极性能的主要因素是光吸收、电荷分离和电荷注入三个步骤。虽然可用作光阳极的半导体材料近年来得到了极大的发展,但是单一的半导体光阳极材料仍存在着光吸收范围有限、光生载流子易复合及氧化动力学缓慢等缺陷。因此,如何增强光阳极材料对光谱的响应范围、提升光生电子-空穴有效分离与高效利用,依然存在挑战。针对以上问题,本论文提出通过光阳极材料的有序结构化设计与可控制备提升其本征活性,并进一步通过光电催化反应耦合增强其性能的研究思路。首先,在结构化设计与可控制备方面,通过化学气相沉积、电化学合成和水热合成等方法,制备了一维纳米棒阵列、二维纳米板阵列、多孔纳米核壳结构和活性晶面取向暴露的系列结构化光阳极。有效改善了结构化光阳极的表/界面环境,增强了光催化剂的吸光效率、电荷分离和电荷注入效率。其次,以结构化光阳极... 

【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：178 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图１－２?２０００－２０２０年光电化学分解水领域的论文发表量和引文量

Ｂ）的电子将被激发到导带（ＣＢ）上，而空穴则保持在价带中。??这些光生电子随后将通过外电路到达阴极表面与质子反应，形成氢气，而光阳极上的??空穴将氧化Ｈ２０?（０２＿）产生０２。因光阳极上水氧化过程发生四电子的转移过程，是??整个反应体系的速控步，所以光阳极的设计和制备是这一领域的关键问题所在。??言?丨?Ｓｏｌａｒ?ｌｉｇｈｔ??＿?Ｕ??－ｊ－??Ｕ?Ｌ??２Ｈ＋／Ｈ２??画?—２Ｈ２〇／〇２??Ａ?Ｅｃ??（１?Ｂａｎｄｇａｐ??ｌ＿ｊ?＿?：??图１－３氧析出的ｎ型半导体光阳极和氢析出的阴极组成的光电化学池分解水基本原理示意图［ｉ８］。??Ｆｉｇ．?１－３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｂａｓｉｃ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ?ｏｆ?ｗａｔｅｒ?ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ?ｂｙ?ａ?ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ?ｃｅｌｌ?ｗｉｔｈ??ａｎ?ｎ－ｔｙｐｅ?ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ?ｐｈｏｔｏａｎｏｄｅ?ｗｈｅｒｅ?ｏｘｙｇｅｎ?ｅｖｏｌｖｅｓ?ａｎｄ?ａ?ｃａｔｈｏｄｅ?ｗｈｅｒｅ?ｈｙｄｒｏｇｅｎ?ｅｖｏｌｖｅｓ?［１８Ｊ．??１．１．３光电催化水氧化系统的主要组成??１．１．３．１导电基底??导电基底是ＰＥＣ阳极的基本元件，用来连接导线和光电极材料。对于光电阳极，??功函比半导体小的导电材料有能作为导电基底，以确保在半导体和导电基底之间的界??面上实现最佳的载流子迁移［１９］。此外，在选择导电基底时，可得性、经济性和柔钿性??也是重要的参考依据。典型的导电基底包括金属基底、非金属基底和透明导电氧化物??（ＴＣＯ）镀膜玻璃等，具体如下：??金属基底，如Ｐｔ、Ｔｉ、Ｔａ、

迄今为止，大多数光阳极氧化产生的光电流密度与图１－４所示的理论值相差甚远。??部分原因是，并非所有能量等于或大于半导体带隙能量的入射光子都被半导体吸收。??影响光子吸收的一个关键因素是吸收系数（Ｘ，它表示半导体在给定波长下吸收光的强??度。吸收系数的倒数是光的穿透深度（ｏｆ１），表示在给定波长下光电极达到光密度为??１时有多厚。如果ｏｆ１很小，则可用作光电阳极的薄膜厚度越薄，这有利于减少体相??内的复合。??

【参考文献】：
期刊论文
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本文编号：3418408