高效光电极的设计与制备及其光电催化分解水的应用研究
发布时间：2021-01-16 22:06
资源短缺和环境污染仍是制约当今社会发展的两大难题,为此人们积极寻找一种理想的绿色能源来替代煤炭、石油和天然气等不可再生的化石能源。由于高能量值,绿色环保和燃烧无二次污染等优点,氢能作为新一代清洁能源成为了最佳候选之一。众所周知,光电化学分解水技术可吸收太阳能生成光生载流子,分离的光生电子在电极表面还原水释放氢气,这是将来获得氢能的最理想方法。该技术还具有以下几个优点:太阳能和水都是丰富的可再生资源;反应无副产物和二次污染;光阴极析氢和光阳极析氧使气体易收集;技术相对简单有规模化生产的潜力;理论太阳能转换效率高达30%左右。因此,光电化学（PEC）分解水技术能够实现太阳能对氢能的完美转化,满足现代社会日益增长的能源需求,被认为是解决全球能源短缺和环境污染问题最有前途的方式之一。但目前来说,光电极的光电转化效率离理论效率还有很大差距以及较高的制备成本,还不能满足应用要求。因此,进一步改善光电催化性能以提升太阳能转化氢能效率,是推动光电化学分解水技术规模化应用的关键。本论文,主要针对目前光电极转换效率低,实用化困难等问题,重点从拓展半导体光电极的光谱响应范围（Φabs）、提高光生载流子内部分...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：225 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１．１半导体光电化学分解水的机理图叭??
山东大学博士学位论文??费米能级（￡＆）接近平带屯位（办），电子的准费米能级（＆＞）向上移动，从??而产生开路光电压（丨＞），如图１．１．２ｂ所示［５］。由于存在来自Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ层的费??米能级钉扎，因此实际的小于半导体的佐以及匕－－在光阳极中也存在类似??情况，由于其＆？较高接近半导体导带位置，在与电解液接触时会发生半导体向??溶液的电子流动，从而在界而处形成正电荷浓度较高的空间电荷区且能带向上弯??曲，最终黑暗下半导体的＆？与电解液中氧化电势（五°ｘ）持平，如图１．１．２ｃ所示。??这时的空间电荷区成为电子的势垒和空穴的势阱，这也是ｎ型半导体被选作光阳??极的原因。如果引入光照，电子的准费米能级（设？）接近平带电位（办），空穴??的准费米能级（五＆）向下移动，从而产生开路光电压（匕／，），如图１．１．２ｄ所示。??光阳极中较高的匕／＞值意味莳更有利的水氧化驱动力，因为它取决于半导体的空??穴准费米能级与电解质的氧化还原电位之间的差异［９］。以上关于在平衡或非平衡??稳态下半导体光电化学的电荷转移动力学机制已得到研究学者的广泛认可。??１．１．３半导体光电催化分解水的主要形式??（ａ）??１?Ｂｌ３Ｓ?１??（ｂ）??Ｌ＾－ｌ??（ｃ）?Ｉ?＾??司?Ｈ，由?＾Ｃ２?Ｉ?＾ＣＨ２??ｈｖ?丨、ｈ２〇?＾ｈ２ｏ?ｈｖ?ｆｆ—??Ｂ．Ｇ．?＜Ｊ＝＝Ｉ?ＢＧ．?＜ｔ＝＝Ｚｌ?Ｂ．Ｇ?＜＝＝３??Ｓｃ?－４ｈｖ?°〇?－４ｈｖ?〇＾ｊＬ??Ｖ．Ｂ￣＾｜、ｈ２〇?Ｕ?ＶＢ?Ｖ｜?Ｈ２０?＾ＬＪ?ＶＢ．叫?Ｈ?〇?Ｊ｜?＾ＶＢ??ｎ－ｌｙｐｅ?Ｃｏｕｎｔｅｒ?Ｃｏｕｎｔｅｒ?Ｐ＾ｐｅ?ｎ－ｔｙｐｅ??ｓｅｍ
子－空穴分离效率（也＠）和光生载流子注入效率（０，＃），??正好分别对应于上述三个步骤。由此可见，提高的本质需要从这三个效率入??手。??ｊｆｔｉ?＾ａｔｏｓ?＾ｓｃａｖ？ｎｇｅｒ?ＡｉｊＯ??⑴?（２）?（３）???？?—？？?＿＿￥??？?Ｂａｎｄｇａｐ?？?Ｂｉａｓ?？?Ｂｉａｓ??？?Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ?？?Ｄｅｆｅｃｔ?？?Ｓｕｒｆａｃｅ?ｓｔａｔｅ??？?Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ?ｔｙｐｅ?？?Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｉｔｙ?？?Ｃｏｃａｔａｌｙｓｔ??图１．１．６光电化学催化过程的示意图以及每个步骤的相关影响因素：（１）光吸??收，（２）光生电荷分离与传输，（３）光生电荷注入到电解液１２６］。??１．１．５．１光电极的光吸收效率??（１）计算光电极的光捕获效率ａ／／￡）??Ａｗ?＝?－?１〇ｇ?（ｊ－Ｊ?（１－１５）??计算光电极的光捕获效率之前，首先要确定半导体电极的吸收率（ｄｗ）。其??是根据比尔定律计算得到，比尔定律将半导体材料的吸收率（／！〇＞）定义为测量出??的输出光强（／）与初始输入光强（／〇）比值的对数，如公式（丨－１５）所示１１６】。因??１１??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于三氧化钨的光阳极水氧化综述（英文）[J]. 黄静伟,岳彭飞,王磊,佘厚德,王其召. Chinese Journal of Catalysis. 2019(10)
[2]光电催化材料在太阳能分解水方面的应用研究进展[J]. 朱凯健,刘杰,刘一霖,王婷,罗文俊,黄维. 中国材料进展. 2019(02)
[3]光电催化分解水:电极材料,电极组装和电极表征（英文）[J]. 王志亮,王连洲. Science China Materials. 2018(06)
[4]半导体电极的平带电位[J]. 崔晓莉. 化学通报. 2017(12)
[5]替代元素对光催化半导体Cu2ZnSnS4能带结构优化的第一性原理研究[J]. 黄丹,戴豪,谢政专,郭进. 广西科学. 2014(03)
[6]元素电负性和硬度的密度泛函理论研究[J]. 喻典,陈志达,王繁,李述周. 物理化学学报. 2001(01)
本文编号：2981626
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：225 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１．１半导体光电化学分解水的机理图叭??
山东大学博士学位论文??费米能级（￡＆）接近平带屯位（办），电子的准费米能级（＆＞）向上移动，从??而产生开路光电压（丨＞），如图１．１．２ｂ所示［５］。由于存在来自Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ层的费??米能级钉扎，因此实际的小于半导体的佐以及匕－－在光阳极中也存在类似??情况，由于其＆？较高接近半导体导带位置，在与电解液接触时会发生半导体向??溶液的电子流动，从而在界而处形成正电荷浓度较高的空间电荷区且能带向上弯??曲，最终黑暗下半导体的＆？与电解液中氧化电势（五°ｘ）持平，如图１．１．２ｃ所示。??这时的空间电荷区成为电子的势垒和空穴的势阱，这也是ｎ型半导体被选作光阳??极的原因。如果引入光照，电子的准费米能级（设？）接近平带电位（办），空穴??的准费米能级（五＆）向下移动，从而产生开路光电压（匕／，），如图１．１．２ｄ所示。??光阳极中较高的匕／＞值意味莳更有利的水氧化驱动力，因为它取决于半导体的空??穴准费米能级与电解质的氧化还原电位之间的差异［９］。以上关于在平衡或非平衡??稳态下半导体光电化学的电荷转移动力学机制已得到研究学者的广泛认可。??１．１．３半导体光电催化分解水的主要形式??（ａ）??１?Ｂｌ３Ｓ?１??（ｂ）??Ｌ＾－ｌ??（ｃ）?Ｉ?＾??司?Ｈ，由?＾Ｃ２?Ｉ?＾ＣＨ２??ｈｖ?丨、ｈ２〇?＾ｈ２ｏ?ｈｖ?ｆｆ—??Ｂ．Ｇ．?＜Ｊ＝＝Ｉ?ＢＧ．?＜ｔ＝＝Ｚｌ?Ｂ．Ｇ?＜＝＝３??Ｓｃ?－４ｈｖ?°〇?－４ｈｖ?〇＾ｊＬ??Ｖ．Ｂ￣＾｜、ｈ２〇?Ｕ?ＶＢ?Ｖ｜?Ｈ２０?＾ＬＪ?ＶＢ．叫?Ｈ?〇?Ｊ｜?＾ＶＢ??ｎ－ｌｙｐｅ?Ｃｏｕｎｔｅｒ?Ｃｏｕｎｔｅｒ?Ｐ＾ｐｅ?ｎ－ｔｙｐｅ??ｓｅｍ
子－空穴分离效率（也＠）和光生载流子注入效率（０，＃），??正好分别对应于上述三个步骤。由此可见，提高的本质需要从这三个效率入??手。??ｊｆｔｉ?＾ａｔｏｓ?＾ｓｃａｖ？ｎｇｅｒ?ＡｉｊＯ??⑴?（２）?（３）???？?—？？?＿＿￥??？?Ｂａｎｄｇａｐ?？?Ｂｉａｓ?？?Ｂｉａｓ??？?Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ?？?Ｄｅｆｅｃｔ?？?Ｓｕｒｆａｃｅ?ｓｔａｔｅ??？?Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ?ｔｙｐｅ?？?Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｉｔｙ?？?Ｃｏｃａｔａｌｙｓｔ??图１．１．６光电化学催化过程的示意图以及每个步骤的相关影响因素：（１）光吸??收，（２）光生电荷分离与传输，（３）光生电荷注入到电解液１２６］。??１．１．５．１光电极的光吸收效率??（１）计算光电极的光捕获效率ａ／／￡）??Ａｗ?＝?－?１〇ｇ?（ｊ－Ｊ?（１－１５）??计算光电极的光捕获效率之前，首先要确定半导体电极的吸收率（ｄｗ）。其??是根据比尔定律计算得到，比尔定律将半导体材料的吸收率（／！〇＞）定义为测量出??的输出光强（／）与初始输入光强（／〇）比值的对数，如公式（丨－１５）所示１１６】。因??１１??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于三氧化钨的光阳极水氧化综述（英文）[J]. 黄静伟,岳彭飞,王磊,佘厚德,王其召. Chinese Journal of Catalysis. 2019(10)
[2]光电催化材料在太阳能分解水方面的应用研究进展[J]. 朱凯健,刘杰,刘一霖,王婷,罗文俊,黄维. 中国材料进展. 2019(02)
[3]光电催化分解水:电极材料,电极组装和电极表征（英文）[J]. 王志亮,王连洲. Science China Materials. 2018(06)
[4]半导体电极的平带电位[J]. 崔晓莉. 化学通报. 2017(12)
[5]替代元素对光催化半导体Cu2ZnSnS4能带结构优化的第一性原理研究[J]. 黄丹,戴豪,谢政专,郭进. 广西科学. 2014(03)
[6]元素电负性和硬度的密度泛函理论研究[J]. 喻典,陈志达,王繁,李述周. 物理化学学报. 2001(01)
本文编号：2981626
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