氧化亚铜光电极的制备、表面修饰和光电化学性能研究

摘要

确定并建立一个可持续的能源系统是当今社会必须解决的关键问题。而其中，寻找合适的新能源是当下所需要面对的问题。氢能由于具有丰富且廉价的原料，便于储存和运输，对环境无污染等特点而被普遍认为是最好的清洁能源。通过光电催化分解水的方法，利用免费且无限的太阳制氢被认为是最具发展潜力的制氢方法。氧化亚铜是重要的p-型半导体氧化物，具有合适的禁带宽度（2.0 eV）保证了有效的可见光吸收，以及-0.7eV的导带位置(相对标准氢电极)使其能够光解水制氢，并且铜作为氧化亚铜的来源，大量存在于地壳中，因此氧化亚铜被认为是最有潜力的光解水制氢的光电极材料之一。然而氧化亚铜在光电化学分解水的应用中有两个主要的缺陷：载流子扩散长度较短且容易发生光腐蚀。现有的研究中，通过改变氧化亚铜的纳米结构，在氧化亚铜表面修饰保护层以及助催化剂等方法很好的提高了氧化亚铜的光电化学活性和稳定性。本文的工作内容主要包括以下两个方面：
　　1利用阳极氧化的方法，通过优化条件，在10 mA/cm2电流密度下，制备了氢氧化铜纳米线，再经过550℃氮气环境下高温煅烧得到氧化亚铜纳米线。为了提高氧化亚铜的稳定性与光电化学活性，在氧化亚铜表面分别利用葡萄糖和醋酸镍为前躯体，先后修饰了碳层(550℃，氮气环境下煅烧)和氧化镍层（200℃，空气环境下煅烧）。通过电化学测试考察其光电化学活性，分析对比了不同葡萄糖浓度和醋酸镍浓度对光电极的光电化学活性和稳定性的影响。结果表明，当葡萄糖浓度为3 mg/mL时，修饰的碳层显著提高了氧化亚铜光电极的光电化学活性和稳定性；当醋酸镍浓度为0.2mg/m L时，氧化镍层修饰的光电极的光电化学活性和稳定性进一步提高；碳层和氧化镍复合修饰时，比碳层或镍层单独修饰时产生了更大的光电流，即产生协同效应。
　　2用电镀的方法，在有机溶剂 N-甲基甲酰胺中，以金属镍盐为原料，将金属镍沉积在氧化亚铜光电极表面作为助催化剂。利用光电化学测试，探究了不同的沉积电流密度和沉积时间对光电极的光电性能的影响。发现，在10 mA/cm2的电流密度下沉积10s时，光电极的光电活性明显提高，但稳定性却没有提高。为此，对修饰了金属镍的光电极进行了氧化后处理，在160℃下氧化了30min，在表面生成了氧化铜保护层和镍/氧化镍的核壳结构，进一步提高了光电极的光电活性和稳定性。

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第一章 绪论

1.1 引言

1 .1 .1催化重整制氢

1 .1 .2 煤气化制氢

1 .1 .3 生物质制氢

1 .1 .4电解水制氢

1 .1 .5太阳能制氢

1.2光电化学分解水制氢

1 .2 .1基本原理

1 .2 .2光电极材料

1 .2 .3光电化学分解水过程中的主要能量损失

1 .3 氧化亚铜光阴极材料

1.4氧化亚铜电极材料的制备

1 .4 .1固相法制备纳米氧化亚铜

1 .4 .2液相法制备纳米氧化亚铜

1 .4 .3电化学方法

1.5氧化亚铜的研究现状

1.6本文的研究内容和意义

1.7创新之处

第二章氧化亚铜纳米线的制备、表面修饰及光电性能

2.1前言

2.2实验部分

2 .2 .1材料

2 .2 .2主要化学试剂

2 .2 .3主要实验仪器

2 .2 .4氧化亚铜纳米线阵列的制备

2.2.5 Cu2O/Cu电极的表面修饰

2 .2 .6光电化学性质测试

2 .2 .7光电化学制氢活性

2.3结果与讨论

2.3.1氧化亚铜光电极的形成机理和XRD图

2 .3 .2光电极的形貌

2 .3 .3葡萄糖浓度对光电极活性的影响

2 .3 .4乙酸镍浓度对光电极活性的影响

2 .3 .5氧化镍和碳的复合层对氧化亚铜光电极的修饰的协同效应

2 .3 .6光电化学制氢活性

2.4本章小结

第三章 Ni修饰氧化亚铜及氧化后处理对其光电性能的影响

3.1引言

3.2 实验部分

3 .2 .1材料

3 .2 .2主要化学试剂

3 .2 .3主要实验仪器

3 .2 .4 氧化亚铜光电极的制备

3 .2 .5 镍层的沉积

3.2.6 Ni和氧化亚铜的氧化

3 .2 .7光电化学性质测试

3.3结果与讨论

3 .3 .1氧化亚铜的晶体结构与形貌

3 .3 .2 氧化亚铜电极表面沉积镍的电流密度对镍形貌以及电极光电活性的影响

3 .3 .3镍的沉积量对电极光电活性的影响

3 .3 .4沉积金属镍电极的氧化处理的影响

3.4本章小节

第四章 结论

致谢

参考文献