【摘要】：隨著能源的不斷消耗,而人們對能源的需求不斷的增加,在此兩難之際,人們開始著眼于儲量最大的太陽能。由于太陽能無法直接運用于生產(chǎn),因此必須將太陽能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量,如太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能,半導體光催化技術(shù)將太陽能轉(zhuǎn)化為化學能等。在太陽能的轉(zhuǎn)化過程中往往需要涉及光生載流子的產(chǎn)生及定向傳輸,尤其是在光催化過程中需要將光生電子與光生空穴分離,進而參與不同的反應。因此在太陽能的利用過程中,光生載流子扮演著能量轉(zhuǎn)化的“中間體”,在太陽能轉(zhuǎn)化為其他能量的過程中具有重要的作用。近來,研究者開始關注光生載流子的存儲,尤其是光生電子的存儲。通過將光生電子暫時存儲在材料體系中,然后再利用所存儲的光電子進行一系列的化學還原反應。通過將光生電子暫時存儲在材料體系中可以避免逆反應的發(fā)生,而且后續(xù)反應無須光的激發(fā),從而拓展了太陽能轉(zhuǎn)化應用的范圍。在光存儲電子材料的研究中,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了雜多酸(HPA)、納米量子尺寸金屬氧化物(TiO_2、ZnO等)及非晶氧化物等材料具有光存儲電子的性能。并且在研究過程中發(fā)現(xiàn),當材料在光存儲電子之后將表現(xiàn)出三個明顯的特征:第一,具有光存儲電子的液體為藍色;第二,液體在400-800nm波段有明顯的吸收峰;第三,能通過ESR檢測出光存儲電子的活性位點。根據(jù)上述的三個特征,我們發(fā)現(xiàn)非晶TiO_2具有光存儲電子的性能。并以非晶TiO_2為研究對象,對其光存儲電子的性能及在H_2的制備和肉桂醛的氫化應用展開了系列研究,主要的研究成果如下:(1)我們以乙二醇鈦(TG)為前驅(qū)體,在紫外光激發(fā)下制備了具有多孔結(jié)構(gòu)的非晶TiO_2。以乙二醇為空穴捕獲劑時,發(fā)現(xiàn)非晶TiO_2在無氧條件下光照具備存儲電子的能力。通過以K_2Cr_2O_7溶液為滴定劑,測量了20mg的TiO_2光照1h所存儲的光電子為22.6μmol。而且研究發(fā)現(xiàn),在選擇不同醇做空穴捕獲劑時,乙二醇為空穴捕獲劑時光存儲的電子對多。(2)在研究過程中發(fā)現(xiàn),為了穩(wěn)定光存儲的電子,非晶TiO_2在光存儲電子的同時吸附了質(zhì)子,而且這些質(zhì)子在MoS_2的催化作用下能夠通過質(zhì)子電子耦合的方式轉(zhuǎn)移到MoS_2的表面后產(chǎn)生氫氣,其中光電子轉(zhuǎn)化為H_2的轉(zhuǎn)化率高達80%,而且隨著光存儲電子量的增加產(chǎn)氫量線形增加。(3)在純乙醇中光存儲電子能夠?qū)⑷夤鹑┻�原為苯丙醛,同時肉桂醛的轉(zhuǎn)化率高達94.7%,光電子的轉(zhuǎn)化率為72.3%。而且在溶劑中加入水后還原的產(chǎn)物將有肉桂醇出現(xiàn),在加入KOH后可以加速肉桂醛被還原的速率,同時也能提高肉桂醇的選擇性。
【圖文】：

第一章 緒論太陽能利用近年來，由于環(huán)境及能源問題日益凸顯，人們對新能源做了大量的研、風能、核能、氫能、生物質(zhì)能、水能等引起了人們的廣泛關注。太陽儲量豐富、清潔無污染等優(yōu)點而成為人們關注的焦點，據(jù)統(tǒng)計，太陽每輻射的能量約 3 1024焦耳，而人類一年的能源消耗量僅為太陽能的萬換言之，只要利用地面上 0.1%的太陽能就能滿足全球能源一年的消耗陽能轉(zhuǎn)化為電的形式研究非常廣泛，通常表現(xiàn)為兩種形式，其一是將太為電能，即太陽能電池[1-3]；其二是將太陽能轉(zhuǎn)化為載流子的形式（光生生空穴），然后將光生載流子利用到化學反應過程中轉(zhuǎn)化為化學能，，即催化技術(shù)[4-7]。

非晶二氧化鈦光存儲電子的性能及應用研究眾所周知，太陽能電池是利用半導體的光生伏特效應將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的一種器件。半導體 P-N 結(jié)在太陽光的照射下，形成空穴-電子對，在 P-N 結(jié)電場作用下，空穴由 N 區(qū)流向 P 區(qū)，與此同時，電子由 P 區(qū)流向 N 區(qū)，接通外電路后形成電流。自 1839 年法國 Becquerel 通過實驗發(fā)現(xiàn)光能轉(zhuǎn)化為電開始，太陽能電池的發(fā)展已經(jīng)有近 200 年的歷史，在這期間，太陽能電池主要經(jīng)歷了三代的發(fā)展，第一代是晶體硅太陽能電池[8,9]；第二代是多元化薄膜太陽能電池[10-13]；第三代是有機-無機雜化薄膜太陽能電池[14-18]。在太陽能電池的發(fā)展中，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率從2009年Kojima[19]報道的3.8%快速發(fā)展到2017年Saliba的 21%[20]，這與鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)是分不開的。鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)如圖 1.1 所示，主要由導電玻璃、CH3NH3PbI3吸收層、電子傳輸層、空穴傳導層及金屬電極等組成。通過精細的結(jié)構(gòu)設計，使得光生載流子沿各自方向定向流動，流經(jīng)外電路形成電流，光能轉(zhuǎn)化為電能[21]。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院上海硅酸鹽研究所)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TQ134.11

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本文編號：2593200