BiVO4光阳极的制备及其光电催化性能研究

摘要

能源危机和环境污染是人类面临的主要问题，开发可再生的清洁能源是解决能源和环境问题的关键。氢能作为一种清洁能源，被认为是最具有发展潜力的可再生能源。目前可以通过光催化分解水和光电催化分解水等途径利用太阳能产生氢气。相对于光催化分解水制氢，光电催化一种更高效地获取氢气的方式。在光电催化反应中，半导体光电极材料发挥着十分重要的作用。其中，BiVO4因其化学性质稳定，带隙较窄，可吸收自然光中大部分可见光被广泛应用于光电催化的研究。但BiVO4仍然存在电荷传输速率慢、光生电子-空穴对易复合等问题。鉴于此，本论文通过构筑三元复合的g-C3N4/Ag/BiVO4和Ni掺杂BiVO4，促进光生电荷的传输和分离，提高其光电催化性能。具体研究结果如下：　　(1)通过旋涂煅烧法制备具有孔结构的BiVO4光阳极材料。在对BiVO4光阳极的形貌、物相以及光学性质进行表征的基础上，利用LSV对不同条件下制备的BiVO4光阳极进行光电流密度测试。探索了前驱体溶液中聚乙烯醇含量、旋涂层数以及煅烧温度对BiVO4光阳极光电性能的影响。结果表明，前驱体溶液中聚合物PVA含量以及旋涂层数会影响BiVO4光阳极材料的形貌结构和光吸收强度，煅烧温度会影响BiVO4光阳极的结晶度，从而影响其光电化学性能。当PVA含量为0.6g，旋涂层数为三层，煅烧温度为500℃时，BiVO4光阳极的光电流密度最大，其光电流密度在外加偏压为1.0V(vs.Ag/AgCl)时可达0.46mA·cm-2。　　(2)利用浸渍法制备g-C3N4/Ag/BiVO4光阳极。采用XRD、SEM、TEM、XPS以及固体紫外手段对其物相、形貌及光学特性等进行表征。结果表明，Ag纳米颗粒以及g-C3N4纳米片均匀地覆盖在BiVO4表面。采用LSV对复合前后的BiVO4光阳极的光电流密度进行测试，在外加偏压为1V(vs.Ag/AgCl)条件下，g-C3N4/Ag/BiVO4光阳极的光电流密度可达1.85mA·cm-2，约是BiVO4光阳极(0.43mA·cm-2)的4倍。莫特-肖特基和电化学阻抗谱测试结果表明，复合材料可以提高BiVO4光阳极的载流子密度，促进半导体/电解液反应界面的载流子的传输与分离。IPCE测试结果表明，与BiVO4光阳极相比，g-C3N4/Ag/BiVO4光阳极的光电转换效率从14.0%增加至28%。　　(3)通过水热法制备Ni掺杂的BiVO4光阳极，探究了Ni掺杂对BiVO4光阳极光电性能的影响。研究结果表明，Ni掺杂后BiVO4光阳极带隙减小，更有利于光的吸收；0.5%Ni掺杂的BiVO4光阳极的光电流密度可达1.01mA·cm-2(1V vs.Ag/AgCl),与未掺杂的BiVO4光阳极相比，其光电流密度提高了约1.57倍；Ni掺杂后BiVO4光阳极的阻抗明显减小，其电子寿命从7.4ms增加为13.1ms；载流子浓度明显提高，光电转换效率从14.0%增加至20%。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 半导体光电催化简介

1.2.1 光电催化反应的基本原理

1.2.2 半导体光电催化反应的类型

1.2.3 常见的光阳极材料

1.3 BiVO4光阳极材料的研究进展

1.3.1 BiVO4光阳极材料的基本性质

1.3.2 BiVO4光阳极材料的制备方法

1.3.3 提高BiVO4光阳极性能的途径

1.4 本论文的选题意义及研究内容

第二章 BiVO4光阳极的制备及优化

2.1 前言

2.2 实验部分

2.2.1 主要化学试剂

2.2.2 实验仪器

2.2.3 BiVO4光阳极的制备

2.2.4 材料表征

2.2.5 光电化学性能测试

2.3 结果与讨论

2.3.1 前驱体溶液中PVA含量的优化

2.3.2 BiVO4光阳极旋涂层数的优化

2.3.3 BiVO4光阳极煅烧温度的优化

2.4 本章小结

第三章 g-C3N4/Ag/BiVO4光阳极的制备及光电性能的研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1 主要化学试剂

3.2.2 实验仪器

3.2.3 g-C3N4/Ag/BiVO4光阳极的制备

3.2.4 材料表征

3.2.5 光电化学性能测试

3.3 结果与讨论

3.3.1 BiVO4光阳极的表征结果分析

3.3.2 BiVO4光阳极的光电性能研究

3.4 本章小结

第四章 Ni掺杂的BiVO4光阳极的制备及光电性能的研究

4.1 前言

4.2 实验部分

4.2.1 主要化学试剂

4.2.2 实验仪器

4.2.3 Ni-BiVO4光阳极制备

4.2.4 材料表征

4.2.5 光电化学性能测试

4.3 结果与讨论

4.3.1 BiVO4光阳极的表征结果分析

4.3.2 BiVO4光阳极的光电性能研究

4.4 本章小结

第五章 结论

参考文献

硕士期间参与发表的文章

致谢