提高光电化学中光生载流子分离效率以及高效BiVO4光电极的设计与制备

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随着人类社会经济的发展和人们生活水平的提升，人类对资源与能源的需求越加增加，随着资源与能源的大量消耗，由此产生的环境污染问题也越加日益严重，所引发的问题也得到越来越多的关注。解决当前严峻的能源短缺与环境污染，对中国国民经济的持续快速发展，人民生活水平提升和保障国家安全有着举足轻重的意义。在众多新兴的清洁能源中，氢能具有很高的燃烧热值。氢气本身没有毒性，且氢气燃烧后的产物是水，对环境不具有污染。氢已经被认为是本世纪最有希望的清洁能源。光电化学分解水制氢技术是一种利用太阳能，将水分解产生氢气和氧气的方法。在光电化学分解水制氢的过程中，不会产生任何的污染物，而且其光电化学水解制氢的理论转化效率极限高达30％，对解决未来的能源危机具有重要意义。然而，目前较低的光电转化效率严重制约了光电化学分解水制氢技术的广泛应用。因此，进一步提高光电化学分解水效率，制备高效光电化学电极是该领域的研究热点之一。
　　光电化学分解水的光转换效率主要由光电极的光吸收、电极内部的载流子分离效率以及界面载流子的注入效率决定。近年来，大家对拓展光催化材料光吸收范围进行了很多的基础研究。目前，光催化材料的光吸收范围已经拓展至整个光谱范围。因此，光吸收目前并不是制约光电化学分解水产氢的主要问题。然而，目前光电化学光电极的载流子内部分离效率以及界面注入效率仍然较低，成为制约光电转化效率提高的主要因素，严重制约了光电化学产氢效率。解决光电化学水解光转换中载流子分离效率低的问题，提高光生载流子的内部与界面的分离效率，是进一步提高光电化学分解水效率的关键，对推动光电化学分解水技术发展与实际应用，具有重要意义。
　　本论文针对半导体光电极中载流子分离效率低这一制约光电化学分解水效率的关键问题，选择具有较高理论光电转化效率的BiVO4作为研究对象，结合半导体材料掺杂、微结构调控、缺陷调控等手段，制备了介孔Mo∶BiVO4光阳极、Co离子掺杂BiVO4光阳极，有效提高了光电极中载流子的分离效率和光电化学分解水活性。相关研究为进一步提高光电化学光电极中载流子分离效率提供了新的方法，对设计制备新型高效光电化学光阳极具有重要作用，主要研究工作如下:
　　在第一章中，主要介绍了光电化学分解水技术的原理、影响光电化学分解水效率的主要因素和关键参数。同时对目前人们对光电化学光阳极的最新研究进展进行了简单介绍。通过总结前期人们在光电化学光阳极方面的前期基础和进展，提出了本论文的选题内容和研究思路。
　　在第二章中，针对BiVO4光阳极中空穴传输距离短，导致的内部载流子分离效率低的问题，通过在制备BiVO4光电极的过程中添加造孔剂，制备具有介孔结构的BiVO4薄膜电极，从而有效缩短了光生空穴的传输距离，大幅提高了光电极内部载流子的传输与分离效率，提高了其光电化学活性。研究发现，具有介孔纳米结构的meso-BVO光电极相对于传统BiVO4光电极，具有更大的BET比表面积、更好的导电性以及更短的空穴传输距离，从而有效提高了光生载流子在电极内部的传输与分离效率。结合Mo掺杂和助催化剂Co-Pi负载，进一步的改善了光电极的导电性和载流子的界面注入效率，从而进一步提高了其光电化学分解水活性。该工作提出了一种通过添加造孔剂制备介孔BiVO4光阳极，进而促进光电极内部载流子分离，有效提高其光电化学活性的方法。对设计制备具有高载流子分离效率的新型光阳极具有重要意义。
　　在第三章中，针对BiVO4光阳极界面载流子注入效率低的问题，通过对BiVO4进行Co离子掺杂，制备了Co∶BiVO4光阳极，并研究了Co离子掺杂浓度、Co离子价态对光生载流子界面注入效率和光电化学活性的影响。通过研究发现，钴离子掺杂BiVO4光电极之后，以Co3Ox的形式存在于钒酸铋中，起到类似于产氧助催化剂的性质，能够降低光电极的起始电位，提高载流子界面注入效率，提高光电化学活性。此外，Co离子价态对BiVO4光电极载流子注入效率和光电流密度具有重要影响，Co2+相对于Co3+对载流子注入效率和光电化学活性的提高更大。相对于在BiVO4光电极表面直接负载助催化剂来提高载流子的注入效率，通过离子掺杂的方式，能够使Co离子更均匀的分散在光电极表面，从而提供更多的活性位点，同时减少了光电极/助催化剂界面的缺陷，从而降低载流子界面复合，更有效的提高载流子的注入效率。该工作有望成为一种提高光电化学光阳极界面注入效率的新方法。
　　在第四章中，对论文的主要研究内容与创新点进行了总结，同时对当前工作存在的问题和不足之处进行了分析，并提出了下一步拟开展的研究工作计划。
　　通过上述研究，本论文通过对BiVO4光电极进行形貌调控、掺杂和结晶控制，有效促进了光电化学分解水过程中光生载流子分离，提高了其光电化学分解水活性，为设计制备高效光电化学分解水光电极提供了新的制备方法和设计理论，对促进光电化学分解水技术的发展及其实际应用具有重要意义。

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作者
张海鹏;
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作者单位

山东大学;

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授予单位山东大学;
学科材料学
授予学位硕士
导师姓名黄柏标,王泽岩;
年度 2018
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总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类非金属导电材料、炭素材料;
关键词
钒酸铋光电极; 制备工艺; 载流子; 分离效率; 光电化学分解水活性;

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