硅光解水光阴极非贵金属催化剂的研究

摘要

日益严重的环境污染和储量渐少的化石燃料是目前人类面临的两大问题，而利用太阳能光解水制氢来获取清洁新能源是解决这两大问题的重要途径之一。在众多的光解水光电极材料中，硅（Si）是一种重要的光阴极产氢材料，不仅仅因为其本身丰富的储量，还因为其具有与太阳光谱相对匹配的窄带隙和合适的产氢能带结构。但是由于其产氢表面效率较低，需要较大的过电势，因此很难得到高效的光电极。为了克服这个困难，一直以来众多研究人员在寻求合适的催化剂。贵金属催化剂铂（Pt）被证实是最好的，但其价格昂贵，寻找非贵金属催化剂是必然的选择。本论文以提高Si光阴极产氢效率为出发点，研究非贵金属催化剂为目的而展开。主要研究内容如下：
　　（1）单独非贵金属催化剂并不能与Pt相媲美，而合金催化剂的出现就可能会解决这一缺陷。本论文的第一个工作是在稳定性较好的2纳米Al2O3保护的单晶n+p-Si光阴极表面利用电沉积的方法制备了NiMo合金催化剂，通过多次间断电沉积以及测试光阴极光电化学特性，确定了最优的NiMo量。通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜和X射线光电子能谱对NiMo的形貌、组分进行了分析。借助光电流和阻抗图谱等对比分析了NiMo和Pt的催化性能。最后，我们在不同PH的电解液中测试了催化剂NiMo的催化性能以及稳定性，发现在偏中性的KHP电解液中，NiMo与Pt催化性能接近；NiMo/Al2O3/n+p-Si在碱性溶液中是最为稳定的，而在酸性溶液中则最不稳定。
　　（2）在非贵金属催化剂中，除了合金催化剂具有良好的催化活性，金属硫化物也是比较不错的析氢催化剂。催化剂-氢（catalyst-hydrogen）结合能的密度泛函数理论的研究表明二硫化钼（MoS2）与Pt的位置较为靠近，众多研究结果也表明催化剂MoS2的确具有高效的催化活性。而二硫化钨（WS2）与MoS2在电子结构方面较为相似，基于此，本论文的第二个工作是将WS2与Al2O3/n+p-Si光电极相结合，利用简单的滴涂法加后退火工艺在Si光阴极表面制备催化剂WS2，随后我们对其形貌、组分以及光电化学性能进行了分析，发现WS2/Al2O3/n+p-Si光阴极的开路电压相比于Al2O3/n+p-Si光阴极提升近0.6V，另外，催化剂WS2在酸性环境中的催化性能更为突出。

目录

声明

第一章 引 言

1.1 研究背景

1.2 半导体光解水制氢

1.3 硅光阴极光解水制氢

1.4 本文的研究内容和意义

参考文献

第二章 实验用品与样品表征方法

2.1 实验材料与仪器设备

2.2 样品表征手段

2.3 样品光电化学性能测试

参考文献

第三章 电沉积NiMo催化剂增强硅光阴极光解水制氢的研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

参考文献：

第四章 硅光阴极担载催化剂WS2性能的研究

4.1 引言

4.2 实验方法

4.3 实验结果与讨论

4.4 本章小结

参考文献

第五章 总 结

攻读硕士学位期间公开发表的论文及科研成果

致谢