MOFs/TiO 2 异质结光电极的制备及其光电化学分解水性能研究
发布时间：2021-11-02 04:17
光电化学（PEC）分解水制氢作为一种高效的能源转换技术,它可以为太阳能-氢能的转换提供一条可持续和环保的途径,因此该技术在应对能源短缺和环境污染方面起着重要作用。光电极作为PEC分解水系统中的重要单元,它决定了PEC分解水的整体效率,因此合理设计并构建高性能的光电极是进一步提高PEC分解水效率的关键。二氧化钛（TiO2）由于具有诸多优异特性,被认为是PEC分解水制氢领域极具发展潜力的光电极候选材料之一,但是其PEC性能一直受到三个方面的严重限制,主要为不理想的光响应能力、较高的光生电子-空穴对复合率和缓慢的水氧化动力学。基于单一TiO2的局限性,本研究课题提出了三种可行性方案,实现了基于TiO2光电极PEC性能的显著提高,并且通过一系列表征分析和性能测试,系统地研究了光电极异质结构与PEC性能之间的构效关系,同时进一步提出了相应的电荷转移机理。具体工作内容如下:（1）本工作首次借助H3BTC对前驱体FeOOH进行原位刻蚀,成功将FeOOH转化为MIL-100（Fe）并修饰于TiO2
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PEC分解水制氢的原理图
江苏大学硕士学位论文3图1.1PEC分解水制氢的原理图。Fig.1.1SchematicdiagramofhydrogenproductionbyPECwatersplitting.理论上，只需要施加1.23V（vs.RHE）的外部偏压就可以实现PEC分解水制氢，因为1molH2O分解为1molH2和1/2molO2所需要的吉布斯自由能（△G）为237.2kJ/mol，其中一个电子转移所需要的电动势（△E0）为1.23V[22]。因此，用于PEC分解水制氢的半导体禁带宽度须大于水的理论分解电压（1.23eV），并且其价带位置要更正于水的氧化电势（H2O/O2），其导带位置则要更负于水的还原电势（H+/H2）[23]。图1.2为常见半导体相对于标准氢电极电势的能带位置示意图[24]。图1.2常见半导体相对于标准氢电极电势的能带位置示意图。Fig.1.2Energybandpositiondiagramofcommonsemiconductorrelativetostandardhydrogenelectrodepotential.
江苏大学硕士学位论文71.3.3TiO2光电极的制备方法（1）水热法水热法是制备TiO2光电极材料最经典的方法之一，也是制备其它纳米半导体材料的重要方法。水热法是将所制备材料的前驱体放置于密闭反应容器中，在高温、高压的条件下实现结晶生长的方法。利用水热法所制备的材料具有结晶性好、晶粒尺寸均匀和纯度高等优点。水热法制备TiO2光电极的过程主要以钛酸四丁脂为前驱体，将装有基底和前驱体的密闭反应釜放置于高温、高压的条件下进行反应[43]。例如，Liu等人早期采用水热法在掺杂氟的氧化锡导电玻璃（FTO）上制备了单晶的金红石型TiO2纳米棒阵列（图1.3）[44]。图1.3通过水热法制备的TiO2纳米棒阵列的SEM图。Fig.1.3TheSEMimagesofTiO2nanorodarrayspreparedbyhydrothermalmethod.（2）模板法模板法通常以氧化铝/碳纳米管作为模板，利用物理或化学的方法将前驱体沉积于模板表面，然后再通过煅烧或溶解的方法移去模板，最终获得TiO2纳米管。此方法操作简单，不需要复杂的工艺设备。例如，Lee等人以阳极氧化铝（AAO）作为模板，借助原子沉积技术（ALD）制备了定向生长的TiO2纳米管阵列（图1.4）[45]。但是，此方法的缺点比较明显，主要是因为其分离过程比较复杂，而
本文编号：3471321
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PEC分解水制氢的原理图
江苏大学硕士学位论文3图1.1PEC分解水制氢的原理图。Fig.1.1SchematicdiagramofhydrogenproductionbyPECwatersplitting.理论上，只需要施加1.23V（vs.RHE）的外部偏压就可以实现PEC分解水制氢，因为1molH2O分解为1molH2和1/2molO2所需要的吉布斯自由能（△G）为237.2kJ/mol，其中一个电子转移所需要的电动势（△E0）为1.23V[22]。因此，用于PEC分解水制氢的半导体禁带宽度须大于水的理论分解电压（1.23eV），并且其价带位置要更正于水的氧化电势（H2O/O2），其导带位置则要更负于水的还原电势（H+/H2）[23]。图1.2为常见半导体相对于标准氢电极电势的能带位置示意图[24]。图1.2常见半导体相对于标准氢电极电势的能带位置示意图。Fig.1.2Energybandpositiondiagramofcommonsemiconductorrelativetostandardhydrogenelectrodepotential.
江苏大学硕士学位论文71.3.3TiO2光电极的制备方法（1）水热法水热法是制备TiO2光电极材料最经典的方法之一，也是制备其它纳米半导体材料的重要方法。水热法是将所制备材料的前驱体放置于密闭反应容器中，在高温、高压的条件下实现结晶生长的方法。利用水热法所制备的材料具有结晶性好、晶粒尺寸均匀和纯度高等优点。水热法制备TiO2光电极的过程主要以钛酸四丁脂为前驱体，将装有基底和前驱体的密闭反应釜放置于高温、高压的条件下进行反应[43]。例如，Liu等人早期采用水热法在掺杂氟的氧化锡导电玻璃（FTO）上制备了单晶的金红石型TiO2纳米棒阵列（图1.3）[44]。图1.3通过水热法制备的TiO2纳米棒阵列的SEM图。Fig.1.3TheSEMimagesofTiO2nanorodarrayspreparedbyhydrothermalmethod.（2）模板法模板法通常以氧化铝/碳纳米管作为模板，利用物理或化学的方法将前驱体沉积于模板表面，然后再通过煅烧或溶解的方法移去模板，最终获得TiO2纳米管。此方法操作简单，不需要复杂的工艺设备。例如，Lee等人以阳极氧化铝（AAO）作为模板，借助原子沉积技术（ALD）制备了定向生长的TiO2纳米管阵列（图1.4）[45]。但是，此方法的缺点比较明显，主要是因为其分离过程比较复杂，而
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