光电化学池中阴、阳极材料的制备及其光催化分解水的研究

发布时间：2020-06-05 13:58

【摘要】：随着经济和社会的发展,环境污染和能源短缺问题日益突出,寻找一种可持续发展的清洁能源迫在眉睫。太阳能作为一种清洁高效的能源正备受关注。而将太阳能转化为氢能的光催化分解水则被视为一种有效的途径。自1972年研究发现Ti O2电极可以进行光催化分解水的反应后,光电化学池的半导体基光电极催化剂得到了广泛地关注。然而,由于Ti O2固有的缺点,如电子复合率快和可见光吸收差,限制了它的进一步应用。研究者们通过不同的方法来提高半导体的催化活性,如光敏剂敏化,助催化剂修饰等,但总体来说光催化效率依然比较低。因此,新型的高效率光电极材料仍需开发。石墨烯的发现及其特殊的结构和优异的光电性能为增大电极材料的活性提供了新的思路。本论文以石墨烯为载体和电子中继体,制备了半导体功能化石墨烯的复合光催化剂,优化了复合催化剂中不同组分的组成,研究了其在半导体催化体系和光电化学池两个体系中的催化性能和反应机理。具体工作内容如下所示:(1)通过一步水热合成法制备了一个由介孔三氧化钨(m-WO3)、四氧化三锰(Mn3O4)纳米粒子和氮掺杂石墨烯(NGR)组成的三组分复合物。实验中通过XRD、TEM、SEM、Raman、XPS等对复合催化剂进行了结构表征,用DRS和光电响应测试了其光电化学性质。结果显示Mn3O4纳米粒子附着在m-WO3表面,且WO3/Mn3O4复合物与NGR之间有着良好的接触。此三组分催化剂在光解水产氧的反应中展示了比单独组分更高的催化活性。当Mn3O4与NGR的掺杂量达到最佳时,其产气量为294?mol g-1。WO3与Mn3O4之间的异质结构能够有效的促进光生电子的分离和转移。NGR作为一个优异的电子接受体和中继体对光催化的提升也起了极大的作用。最后我们对其反应机理进行了讨论。(2)通过水热共沉淀法制备了p型的光电阴极材料Cu掺杂的ZnxCd1-xS半导体,用共沉淀分解法制备WO3光阳极材料,最后经过石墨烯修饰电极并将两个电极串联起来,形成了光电化学池体系。实验中通过XRD、SEM、Raman、XPS、DRS、光电化学测试等考察了两种电极材料的结构和光电性质。实验中将光电化学池体系置于紫外可见光下照射,进行了光催化分解水反应。Mott-Schottky曲线证明了Cu掺杂的Zn0.3Cd0.7S转变为了p型半导体。在反应中,Cu能够帮助光生电子的转移。最佳的Cu含量在6%,光电化学池体系产氢和产氧量分别为459.0和86.2??mol g-1。最后,我们同样给出了在PEC体系中的分解水机理。(3)通过固态源掺杂法制备了p型的光电阴极材料Cu掺杂的Ti Si2半导体,用共沉淀分解法制备WO3光阳极材料,最后经过Pt纳米粒子修饰电极并将两个电极串联起来,形成了光电化学池体系。实验中通过SEM、AFM、XRD、DRS、光电化学测试等考察了两种电极材料的结构和光电性质。实验中将光电化学池体系置于紫外可见光下照射,进行了光催化分解水反应。在反应中,Pt纳米粒子能够有效的分离和收集光生电荷,降低了电子空穴的复合率。光电化学池体系产氢和产氧量分别为171和58??mol g-1。最后,我们同样给出了在PEC体系中的分解水机理。
【图文】：

示意图,氢能,示意图,半导体

在未来的新能源开发中将占据举足轻用中，半导体基催化剂具有简单、清洁、经济、实光催化剂。[3-6]shima 和 Honda 发现了 TiO2电极在紫外光照射下光了太阳能光解水的可行性。[7]自此，利用半导体材光下进行光催化分解水的研究得到了很大的进展。业化大规模的应用。这主要因为，水作为一种十分其分解为氢气和氧气，其反应过程的吉布斯自由能外加能量。[8]这种反应是不能自发进行的，，是一个进行。[9]另一方面，光催化剂必须满足水的氧化半反准氢电极))和水的还原半反应电势，Ered< 0 V (pH中存在的能量损失，理想的半导体带宽应在 2.0-2.2

价带结构

量高于半导体禁带宽度的光照射半导体时，半导体的价带电子发生带间跃迁，从跃迁到导带，在导带产生电子，在价带生成空穴。当电子迁移到光催化剂表面被后，在适合的条件下会与相邻的介质发生还原反应；而空穴则会与相邻的介质发化反应。以光催化分解水为例，电子和空穴迁移到半导体表面，将吸附物种 H+H-分别还原和氧化释放出氢气和氧气。[11-14]光催化分解水制氢和制氧体系非常困难，因此，高效的半导体光催化剂是十分的。首先，半导体的导带和价带位置必须与水的还原及氧化电位相匹配，这样电空穴才有足够的能力进行水的还原和氧化。此外，还要求半导体材料对反应物具好的吸附作用，使反应后的氢气和氧气容易从催化剂表面脱附；同时光生载流子导体材料体相和表面的输运速率、寿命等对光催化反应也有重要的影响。[15,16]因然存在大量禁带宽度大于 1.23 eV 的半导体材料，但在这些材料中仅有小部分具解水产生氢气和氧气的能力。
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O643.36;TK519

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