光电催化水分解体系中α-Fe2O3纳米棒光阳极的制备及改性研究

摘要

氢能作为一种清洁高效的可再生能源，在能源结构中占据重要地位。光电催化（PEC）水分解制氢能够利用水和太阳能制取氢气，受到研究者们的广泛关注。本文以α-Fe2O3纳米棒为光阳极，对其PEC水分解性能进行研究。　　本文分别采用水热法和乙二醇辅助水热法在氟掺杂的二氧化锡（FTO）导电玻璃上制备α-Fe2O3纳米棒，并在不同气氛（O2，Air，N2，Ar）中进行退火处理得到α-Fe2O3光阳极，通过X射线衍射（XRD）、场发射扫描电镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、紫外可见吸收光谱（UV-vis）、光电流密度-电压曲线（J-V）、电化学阻抗谱（EIS）、莫特-肖特基曲线（M-S）等分析方法考察退火气氛和乙二醇对α-Fe2O3光阳极表面性质及PEC性能的影响。结果表明：ⅰ）氧含量低的退火气氛更利于氧空穴的形成，氧空穴可以提高样品的可见光吸收能力和电导率，减少电子空穴间的复合，从而提高样品的PEC活性；ⅱ）乙二醇的加入可以改变样品的微观形貌，增大其比表面积，并且乙二醇中未完全分解的碳残留在Fe2O3的晶格和表面，提高了样品的电导率，也有助于提高样品的PEC活性；ⅲ）以上因素共同作用使乙二醇辅助水热法制备并在氩气中退火处理的样品AT-EG-Ar具有最好的PEC性能，其光电流密度达到0.917mA·cm-2（1.23V vs.RHE），比乙二醇辅助水热法制备并在氧气中退火处理的样品AT-EG-O2（0.287mA·cm-2）提高219.5%，比水热法制备并在氧气中退火处理的样品AT-O2（0.151mA·cm-2）提高507.3%，比水热法制备并在氩气中退火处理的样品AT-Ar（0.797mA·cm-2）提高15.1%。　　此外，本文通过电化学法和低温固相合成法分别制备了碳量子点（CQDs）和氮化碳量子点（CNQDs），并使用水热法将量子点负载到α-Fe2O3纳米棒上，考察CQDs和CNQDs敏化对Fe2O3纳米棒PEC性能的影响。结果表明：ⅰ）CQDs和CNQDs都有利于提高Fe2O3的可见光吸收能力和电导率，加速载流子的分离和转移，从而提高Fe2O3的PEC活性；ⅱ）当两种量子点共同负载时，在CNQDs与Fe2O3形成异质结的基础上，CQDs能够加速异质结间的电子转移，并促进了CNQDs表面产生的H2O2的分解，使Fe2O3的PEC性能得到进一步提高；ⅲ）在偏压为1.23V vs.RHE时，样品Fe2O3,CQDs/Fe2O3,CNQDs/Fe2O3和CQDs@CNQDs/Fe2O3的光电流密度分别为0.607,0.722,0.763和0.899mA·cm-2，共敏化的样品具有最大的光电流密度，相比于空白Fe2O3，样品CQDs@CNQDs/Fe2O3的光电流密度提高了48.1%。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 世界能源现状

1.2 氢能的发展状况

1.2.1 氢能的重要性

1.2.2 氢能的应用

1.2.3 氢的制备方法

1.3 光催化水分解制氢

1.3.1 光催化水分解制氢的基本原理

1.3.2 光催化水分解制氢的两种体系

1.3.3 高效半导体光催化剂的基本要求

1.3.4 半导体光催化剂的改性方法

1.3.5 常见的半导体光催化剂

1.4α-Fe2O3光阳极

1.4.1 α-Fe2O3的基本性质

1.4.2α-Fe2O3光阳极的形貌及制备方法

1.5 半导体量子点的特点及应用

1.6 本论文研究目的与内容

第2章 退火气氛和乙二醇对氧化铁纳米棒光电化学水分解性能的影响研究

2.1 引言

2.2 实验

2.2.1 实验原料

2.2.2 实验仪器与设备

2.2.3 样品的制备

2.2.4 样品表征

2.2.5 光电化学水分解性能测试

2.3 结果与讨论

2.3.1 不同退火气氛对α-Fe2O3纳米棒结构与形貌的影响

2.3.2 不同退火气氛下处理的α-Fe2O3纳米棒的XPS分析

2.3.3 不同退火气氛下处理的α-Fe2O3纳米棒的UV-vis光谱图

2.3.4 不同退火气氛下处理的α-Fe2O3纳米棒的J-V曲线

2.3.5 不同退火气氛下处理的α-Fe2O3纳米棒的EIS谱图

2.3.6 不同退火气氛下处理的α-Fe2O3纳米棒的M-S曲线

2.3.7 乙二醇辅助水热法制备的α-Fe2O3纳米棒的SEM分析

2.3.8 乙二醇辅助水热法制备的α-Fe2O3纳米棒的XPS分析

2.3.9 乙二醇辅助水热法制备的α-Fe2O3纳米棒的J-V曲线

2.4 本章小结

第3章 CQDs和CNQDs共敏化制备高性能的氧化铁纳米棒光阳极的研究

3.1 引言

3.2 实验

3.2.1 实验原料

3.2.2 实验仪器与设备

3.2.3 样品的制备

3.2.4 样品表征

3.2.5 光电化学水分解性能测试

3.3 结果与讨论

3.3.1 氧化铁复合光阳极的XRD分析

3.3.2 氧化铁复合光阳极的SEM和TEM图

3.3.3 氧化铁复合光阳极的UV-vis光谱图

3.3.4 氧化铁复合光阳极的XPS分析

3.3.5 氧化铁复合光阳极的J-V曲线

3.3.6 氧化铁复合光阳极的EIS谱图

3.3.7 氧化铁复合光阳极的M-S曲线

3.3.8 机理分析

3.4 本章小结

第4章 结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢