层状材料修饰半导体光电极及其光电化学水氧化性能研究

摘要

太阳能光解水制取氢气是获得清洁能源的重要途径之一。水分解反应包括水的还原和氧化两个半反应，其中水氧化反应是限速步骤，因此设计高效光阳极对于整体水分解反应具有重要意义。影响光电极性能的主要因素有光电极对光的吸收能力、电子-空穴电荷分离效率、电荷转移效率等。层状双金属氢氧化物(layered double hydroxides，LDHs)，具有二维层状结构与灵活调变的化学组成，这些优越的性质，使其作为水氧化反应催化剂受到越来越多的关注。
　　从增强光吸收能力、电荷分离效率、电荷转移效率三个方面来改善光电极性能的研究思路，设计了复合结构光电极，主要研究结果如下:
　　1.发展了将石墨烯(G)与LDHs杂化修饰钒酸铋(BiVO4)光电极的方法，在BiVO4表面形成了由二维纳米片组装的花状介观结构(G@LDHs@BiVO4)，修饰光电极的光电流密度达2.13mA·cm-2(1.23V vs.RHE)，达到未修饰的BiVO4光电极的4倍，氧化效率显著增强，即使在低电势下也超过80％(＜0.8Vvs.RHE)，400nm处IPCE达52％，电极稳定性也得到增强。这是由于石墨烯本身具有优异的电荷传输性质，增强了光生电荷转移。同时其在可见光波段的吸收增强了光吸收与捕获，而LDHs独有的层状结构特征与催化水氧化性质，提高了电极表面的氧化反应动力学。
　　2.Au@SiO2具有局域表面等离子共振效应(LSPR)，利用这种性质来增强LDHs/BiVO4光电催化性能。设计了两种结构的光电极（LDHs/Au@SiO2/BiVO4和Au@SiO2/LDHs/BiVO4），结果发现前者能使LDHs/BiVO4光电催化性能得到显著提升，光电流密度达到1.92mA·cm-2(1.23V vs.RHE)，比Au@SiO2/LDHs/BiVO4(1.26mA·cm-2)提高52％。氧化效率为69％(1.23V vs.RHE)，是后者的1.3倍，这是因为Au@SiO2的LSPR增强了BiVO4的光生电荷转移，同时也证明了BiVO4对光电极中的电荷分离有主要贡献，而LDHs起到累积空穴的作用，提高了水氧化反应速率，提高了整体光电催化性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 光电化学水分解

1．1．2 水分解原理

1．1．3 常见光电极材料

1．2 钒酸铋

1．2．3 提高BiVO4性能的方法

1．3 光电催化材料

1．3．1 LDHs在光电催化中的应用

1．3．2 石墨烯在光电催化中应用

1．3．3 金在光电催化中应用

1．4 论文选题与研究内容

1．4．1 选题的目的和意义

1．4．2 主要研究内容

第二章 实验部分

2．1 实验原料

2．2 表征方法

2．2．1 X射线衍射分析(XRD)

2．2．2 拉曼光谱仪(Raman)

2．2．3 X射线光电子能谱仪(XPS)

2．2．4 紫外-可见吸收光谱(UV-vis absorption spectra)

2．2．7 高分辨透射电子显微镜(HRTEM)

第三章 石墨烯与LDHs修饰钒酸铋光电极增强光电化学水氧化性能

3．1 引言

3．2 光电极制备

3．3 光电催化反应

3．3．1 线性循环伏安

3．3．2 瞬态光电流

3．3．3 电化学交流阻抗(EIS)

3．3．4 氧化效率

3．3．5 电荷分离效率

3．3．6 偏压下光转换电流(ABPE)

3．3．7 法拉第效率

3．3．8 入射光电转化效率(IPCE)和吸收光电转化效率(APCE)

3．3．9 光电极的稳定性

3．3．10 Mott-schottky曲线以及Tauc曲线

3．4 结果与讨论

3．4．1 光电极结构表征

3．4．2 光电极微观形貌表征

3．4．3 光电极光吸收性质

3．4．4 光电极的XPS表征

3．4．5 光电催化性能

3．4．6 催化反应机理

3．5 本章小结

第四章 Au@SiO2修饰LDHs／BiVO4复合光电极增强光电化学水氧化性能

4．1 引言

4．2 复合光电极制备

4．3 光电催化性能

4．3．1 线性循环伏安

4．3．2 交流阻抗(EIS)

4．3．3 氧化效率

4．3．4 分离效率

4．4 结果与讨论

4．4．1 微观形貌分析

4．4．2 光吸收性质

4．4．3 光电催化性能

4．4．4 催化反应机理

4．5 本章小结

第五章 结论

论文创新点

参考文献

致谢

研究成果

作者与导师简介