半导体光电极材料的制备及在光电催化还原CO2中的应用

摘要

近年来，由于化石燃料的大量消耗导致的能源危机和环境问题已经引起人们的巨大关注。利用太阳能光电催化还原CO2制取燃料和化工品，对于缓解能源危机和温室效应具有重要的意义。本文在设计并制造了新型的光电催化反应器的基础上，研究了光阳极的制备及其在光电催化还原CO2中应用，并将具有独特的CO2吸收性能和转化作用的离子液体电解质应用于光电催化还原CO2体系中。
　　本研究主要内容包括：⑴在介绍CO2资源化利用研究现状的基础上，重点对光电催化还原CO2进行了介绍，最后对本课题的研究意义和研究内容进行了阐述。⑵采用阳极氧化和随后高温氢化还原的方法中制备了黑二氧化钛纳米管阵列（TiO2-NTAs），通过扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、紫外可见光谱（UV-vis）、线性伏安（LSV）等测试方法对样品的表面形貌、晶型结构和光电转化性能分别进行了表征，重点考察了电解质组成、阳极氧化电压和不同后处理方法等对TiO2-NTAs结构和形貌的影响，以及高温氢化工艺对所制备的黑TiO2-NTAs光电转化性能的影响；然后以所制备的黑TiO2-NTAs为光阳极，以1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（[C2MIm][BF4]）水溶液作为阴极电解质溶液，进行了光电催化还原CO2的研究。结果表明，在含有0.2MNH4F、0.15M(NH4)2SO4、5 vol％H2O和20 vol%乙二醇的丙三醇溶液中，施加45 V电压条件下，采用两步法阳极氧化4 h，接着在乙醇溶液中超声45 min的条件下，成功制备了规整有序、管壁光滑、管口干净的TiO2-NTAs；随后在500℃，氢气气氛中还原2 h，成功得到了具有优良光电转化性能的黑TiO2-NTAs；此反应体系中光电CO2还原的主要产物是CO，在外加电压为2.1 V时，其法拉第效率达到了67.3%。⑶制备得到了WO3/BiVO4复合薄膜光电极，通过SEM和LSV方法对 WO3/BiVO4复合薄膜的表面形貌和断面结构以及光电转化性能分别进行了表征，重点考察了 WO3的前驱体溶液中聚乙二醇添加量、WO3薄膜厚度和BiVO4薄膜厚度对WO3/BiVO4复合光电极的光电转化性能的影响；然后采用WO3/BiVO4复合薄膜为光阳极，以1-胺丙基-3-甲基咪唑溴盐（[NH2C3MIm]Br）水溶液作为阴极电解质溶液，进行了光电催化还原CO2的研究。结果表明，添加聚乙二醇1 ml， WO3的前驱体溶液喷涂4次，BiVO4的前躯体溶液喷涂2次时所制备得到的WO3/BiVO4复合薄膜光电转化性能最好；此反应体系中光电CO2还原的主要产物是HCOOH，在外加电压为1.7 V时，其法拉第效率可以达到94.1%；且在施加电压仅为1.1 V时，光能的净转化效率可以达到0.11%。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 CO2资源化研究现状

1.2 光电催化CO2还原法简介

1.3 本论文的创新点和主要研究内容

第2章 黑TiO2-NTANTANTAs的制备及光电催化还原CO2性能的研究

2.1 引言

2.2 实验仪器及实验试剂

2.3 实验部分

2.4 乙二醇电解液体系中TiO2-NTAs的制备及其氢化

2.5 丙三醇电解液体系中TiO2-NTAs的制备及其氢化

2.6 乙二醇与丙三醇混合电解液体系中TiO2-NTAs的制备及其氢化

2.7 黑TiO2-NTAs光电极光电催化CO2还原的研究

2.8 本章小结

第3章 WO3/BiVO4复合薄膜光电极的制备及光电催化还原CO2性能的研究

3.1 引言

3.2 实验仪器及实验试剂

3.3 实验部分

3.4 WO3/BiVO4复合薄膜光电极制备参数对光电转化性能的影响

3.5 WO3/BiVO4复合薄膜光电极光电催化CO2还原的研究

3.6 本章小结

第4章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果