高效多层光电极的制备及在光电析氢中的应用

摘要

能源短缺是21世纪面临的严峻问题，寻找可持续的清洁能源不仅能够解决能源危机，还可减少由化石燃料燃烧导致的环境污染。利用半导体材料构建光电极并用于光电催化产氢是一项新兴的能源技术，该技术能够将太阳能转化为电能并用来电解水制备氢气。本文以在可见光区域具有高响应值的氧化亚铜（Cu2O）为基础，选取二氧化钛（TiO2）、石墨相碳三氮四（g-C3N4）等材料作为Cu2O的保护层，并负载二硫化钨（WS2）作为析氢催化剂构建光电极，研究不同光电极的光电催化性能。本文的主要研究成果总结如下： （1）在65℃恒温水浴，pH=11.0，工作电位为-0.4V vs Ag/AgCl条件下，以导电玻璃作为载体利用电沉积法制备Cu2O薄膜。同时，使用三聚氰胺作为前驱体制备 g-C3N4作为保护层，并通过锂插层的方法制备混合相（1T-、2H-）的WS2作为最外层析氢催化剂，制备 Cu2O/g-C3N4/WS2光电极。在100 mW?cm-2（λ>420 nm）的光照条件下，Cu2O/g-C3N4/WS2光电极在pH=6.0时，析氢过电位可以低至-0.23 V（vs.RHE）。当外加偏压为-0.55 V（vs.RHE），电流密度能达到-9.5 mA?cm-2，光电析氢效果优异。 （2）为了进一步改善光电极的稳定性，提高光电极的析氢效率，我们在导电玻璃上利用电镀方法添加一层纳米金薄膜，通过优化，确定纳米金薄膜的最佳制备条件：HAuCl4溶液浓度为1.25 mM，电压为-1 Vvs Ag/AgCl，电镀时间为300 s。此外，还采用提拉浸渍法在Cu2O表面负载TiO2作为保护层，以其代替g-C3N4，制备Au/Cu2O/TiO2/WS2光电极。在100 mW?cm-2（λ>420 nm）的氙灯照明下，Au/Cu2O/TiO2/WS2光电极稳定性有明显提高，外加偏压为-0.6 V（vs.RHE）时，电流密度能达到-9.1 mA?cm-2。 （3）本论文采用多层自组装的方法来制备光电极，g-C3N4和TiO2既可以作为保护层，又可以与Cu2O形成异质结，促进光电子在界面处的传输，从而大幅度降低光生电子和空穴的复合概率，提高光电转换效率，同时我们采用锂插层法制备的混合相WS2，并将其作为最外层析氢催化剂，用于提高光电流和电解水产氢的效率。光电极制备方法简单，实验参数可控，改良后的Au/Cu2O/TiO2/WS2光电极稳定性强，析氢效率高。

目录

声明

第一章 文献综述

1.1 引言

1.2 半导体光催化剂

1.3 二维纳米材料

1.4 光电催化概述

1.5 论文的主要研究内容

第二章 Cu2O/g-C3N4/WS2的制备及其在光电催化中的应用

2.1 引言

2.2 实验

2.3 表征结果与讨论

2.4 光电极制氢性能研究

2.5 本章小结

第三章 Au/Cu2O/TiO2/WS2的制备及其在光电催化中的应用

3.1 引言

3.2 实验

3.3 表征结果与讨论

3.4 光电极制氢性能研究

3.5 本章小结

第四章 结论与展望

4.1 结论

4.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢