釩酸鉍異質(zhì)結光電極的制備及太陽能光電化學分解水性能研究
發(fā)布時間：2020-10-16 01:46
光電化學(PEC)分解水制氫是解決能源危機和環(huán)境污染問題的一種新型能源轉(zhuǎn)換技術,并且已經(jīng)取得了巨大的研究進展。金屬氧化物半導體具有原料豐富、微觀形貌可控以及能級結構豐富等諸多優(yōu)點,已經(jīng)被廣泛應用于PEC光電極的制備和研究。在眾多半導體材料中,釩酸鉍(BiVO_4)半導體由于其諸多優(yōu)越性能,是用于PEC分解水制氫最有前景的氧化物基光電極之一。但是,BiVO_4也存在一些顯著的缺點,主要是光生電子-空穴對復合嚴重和水氧化動力學緩慢限制了其實際的PEC工業(yè)應用。目前已經(jīng)開發(fā)了多種方法對BiVO_4半導體進行改進,提高其整體的PEC性能。主要改進方法包括貴金屬修飾、元素摻雜、窄帶系半導體復合和微納米結構調(diào)控等。本課題基于BiVO_4半導體存在的一些問題,提出了三種改進BiVO_4半導體的方案,并且借助系列表征手段,深入分析BiVO_4光電極的形貌結構、光學性質(zhì)以及PEC性能,實現(xiàn)了一類高性能PEC分解水體系的構建。(1)我們通過電化學沉積和離子層沉積方法成功制備了Ag_2S/BiVO_4異質(zhì)結光電極,并通過XRD、FE-SEM、HR-TEM、XPS等對材料進行了表征。本工作首次將Ag_2S納米粒子修飾于BiVO_4光電極表面,有效提高了電荷傳輸速率,抑制了光生電子-空穴對復合。我們通過PEC性能測試發(fā)現(xiàn),Ag_2S/BiVO_4異質(zhì)結光電極的光電流密度和光電轉(zhuǎn)換效率(IPCE)值得到顯著改善。(2)以聚多巴胺(PDA)作為媒介,成功在BiVO_4光電極表面均勻沉積了Ag納米粒子,然后將光電極在氬氣下煅燒,使PDA碳化為N摻雜碳,最終獲得了新型BiVO_4-C/N-Ag異質(zhì)結光電極。該工作中,我們深入探討了Ag納米粒子和N摻雜碳在光電極系統(tǒng)中的作用,并對光電極的電荷傳輸機理進行了研究。實驗結果表明,通過Ag納米粒子和N摻雜碳修飾的BiVO_4半導體可促進電荷轉(zhuǎn)移,并提高光電極穩(wěn)定性。(3)為了解決BiVO_4光電極水氧化動力學緩慢的問題,我們首次借助Fe摻雜CoP(Fe/CoP)析氧催化劑來修飾光電極。系統(tǒng)地研究了BiVO_4-Fe/CoP光電極在紫外-可見光照射下的PEC分解水性能。BiVO_4光電極與Fe/CoP析氧催化劑的耦合可提高電荷注入效率和電荷分離效率,從而顯著提高了其光電流密度和IPCE值。
【學位單位】：江蘇大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TQ116.21;TN304
【部分圖文】：
3322氫的原理解水是利用太陽能來獲得氫能的一種有效途徑。對于一而言，主要由光電極、對電極、參比電極和電解溶液幾 1.1 所示的 PEC 分解水裝置可以看出，半導體光電極吸生光生電子-空穴對，光生空穴在光陽極上氧化水生成子通過歐姆接觸遷移到光陰極上發(fā)生還原反應生成氫氣作[22-23]。因此，PEC 分解水的工作原理可以分為以下三射的能量大于光電極半導體的帶隙時，半導體價帶上的光生電子，而價帶上則形成光生空穴；（2）光生載流子，并通過外電路產(chǎn)生電流；（3）光生載流子進一步在半面發(fā)生氧化還原反應，將水分子分解成氧氣和氫氣。
江 蘇 大 學 碩 士 學 位 論 文Fig. 1.1 Structural schematic diagram of hydrogen production from water splitting by PECsemiconductor photoelectrode.在標準條件下，通常一個 H2O 分子需要 237.2 kJ/mol 的吉布斯自由能才可分解成 H2和 1/2 O2，而此時每遷移一個電子需要的電池電動勢（△E0）大約為 1.23V[25]。因此，半導體光電極 PEC 分解水制氫須符合三個條件[26]：（1）半導體的能隙大于水的分解理論電壓值；（2）半導體導帶位置應比 H2O 的還原電位更負；(3)半導體價帶位置應比 H2O 的氧化電位更正。如圖 1.2 展示了系列常見半導體相對于標準氫電極電位的能帶示意圖[27]。
不同反應條件下在導電玻璃基底上沉積的 BiVO4薄膜的掃描電鏡圖（a）45℃85℃/7h（c）100℃/3h（d）100℃/3h（截面）。. 1.3 Scanning electron microscopy of BiVO4thin films deposited on conductive tes under different reaction conditions (a) 45 ℃/40h (b) 85 ℃/7h (c) 100 ℃/3h/3h (cross section).溶膠-凝膠法984 年 Yamane 等人率先提出溶膠-凝膠制備方法[54]，通過溶膠-凝膠O4顆粒比較小，并且具有高效的光催化性能。例如，Wang 等人利所制備的 BiVO4在光分解水過程中表現(xiàn)出高效的催化活性[55]，該因于 BiVO4較小的納米顆粒以及表面豐富的 OH 和 Bi5+催化活位方法具有優(yōu)異的普適性，可用于其他系列金屬氧化物半導體的制水熱法熱法是指在密封的壓力容器中，以水作為溶劑進行礦化來合成材料對于其他方法，水熱法制備的材料具有結晶度高、粒度小和不易
【參考文獻】
本文編號：2842564
【學位單位】：江蘇大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TQ116.21;TN304
【部分圖文】：
3322氫的原理解水是利用太陽能來獲得氫能的一種有效途徑。對于一而言，主要由光電極、對電極、參比電極和電解溶液幾 1.1 所示的 PEC 分解水裝置可以看出，半導體光電極吸生光生電子-空穴對，光生空穴在光陽極上氧化水生成子通過歐姆接觸遷移到光陰極上發(fā)生還原反應生成氫氣作[22-23]。因此，PEC 分解水的工作原理可以分為以下三射的能量大于光電極半導體的帶隙時，半導體價帶上的光生電子，而價帶上則形成光生空穴；（2）光生載流子，并通過外電路產(chǎn)生電流；（3）光生載流子進一步在半面發(fā)生氧化還原反應，將水分子分解成氧氣和氫氣。
江 蘇 大 學 碩 士 學 位 論 文Fig. 1.1 Structural schematic diagram of hydrogen production from water splitting by PECsemiconductor photoelectrode.在標準條件下，通常一個 H2O 分子需要 237.2 kJ/mol 的吉布斯自由能才可分解成 H2和 1/2 O2，而此時每遷移一個電子需要的電池電動勢（△E0）大約為 1.23V[25]。因此，半導體光電極 PEC 分解水制氫須符合三個條件[26]：（1）半導體的能隙大于水的分解理論電壓值；（2）半導體導帶位置應比 H2O 的還原電位更負；(3)半導體價帶位置應比 H2O 的氧化電位更正。如圖 1.2 展示了系列常見半導體相對于標準氫電極電位的能帶示意圖[27]。
不同反應條件下在導電玻璃基底上沉積的 BiVO4薄膜的掃描電鏡圖（a）45℃85℃/7h（c）100℃/3h（d）100℃/3h（截面）。. 1.3 Scanning electron microscopy of BiVO4thin films deposited on conductive tes under different reaction conditions (a) 45 ℃/40h (b) 85 ℃/7h (c) 100 ℃/3h/3h (cross section).溶膠-凝膠法984 年 Yamane 等人率先提出溶膠-凝膠制備方法[54]，通過溶膠-凝膠O4顆粒比較小，并且具有高效的光催化性能。例如，Wang 等人利所制備的 BiVO4在光分解水過程中表現(xiàn)出高效的催化活性[55]，該因于 BiVO4較小的納米顆粒以及表面豐富的 OH 和 Bi5+催化活位方法具有優(yōu)異的普適性，可用于其他系列金屬氧化物半導體的制水熱法熱法是指在密封的壓力容器中，以水作為溶劑進行礦化來合成材料對于其他方法，水熱法制備的材料具有結晶度高、粒度小和不易
【參考文獻】
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1 武艷強;水熱法制備高結晶性半導體納米材料[D];河南大學;2010年
本文編號：2842564
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教材專著
