【摘要】：傳統(tǒng)化石能源在使用中會對環(huán)境造成一定的破壞及其不可再生性,新型可再生清潔能源的研發(fā)已成為未來發(fā)展趨勢。通過光電化學(xué)(PEC)電池將水光解轉(zhuǎn)化為氫氣和氧氣,可以把我們最大的可再生能源——太陽能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的化學(xué)燃料,是實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展的重要手段之一。CuBi_2O_4憑借其無毒低價、合適的能帶間隙(1.5 eV~1.8 eV)以及較大的光生電壓成為極其有潛力的光電催化陰極材料。然而,其存在內(nèi)部載流子傳輸效率低、光電流易衰減的缺陷,成為制約其發(fā)展和應(yīng)用的主要瓶頸。針對CuBi_2O_4陰極材料存在的這些缺陷,本文通過厚度調(diào)節(jié)、退火調(diào)控、表面保護層覆蓋來提升其光電流和工作穩(wěn)定性。之后通過元素體相摻雜和助催化劑的表面修飾優(yōu)化了Fe_2O_3光陽極的起始電位和光電流密度。最終將CuBi_2O_4光陰極與Fe_2O_3光陽極串聯(lián)搭建了自發(fā)光解水器件。本論文主要由以下幾個方面組成:(1)以CuBi_2O_4為研究對象,采用旋涂法在FTO上沉積CuBi_2O_4薄膜。通過改變旋涂法前驅(qū)體溶液的溶度,優(yōu)化CuBi_2O_4薄膜的厚度,光電流密度從0.13mA/cm~2提升至0.42 mA/cm~2。之后采用缺氧退火的方式,對CuBi_2O_4進行改性。X射線光電子能譜分析表明,CuBi_2O_4薄膜的電子結(jié)構(gòu)在缺氧退火過程中發(fā)生了顯著的改變。通過Mott-Schottky說明缺氧退火CuBi_2O_4有著更高的載流子濃度。同時缺氧退火CuBi_2O_4在光電陰極/電解液界面處有著更小的電阻。缺氧退火調(diào)控后,CuBi_2O_4光陰極的光電流提升至0.67 mA/cm~2。(2)通過SEM表征發(fā)現(xiàn),未沉積保護層的CuBi_2O_4薄膜在穩(wěn)定性測試后其表面結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變,出現(xiàn)很多的不規(guī)則顆粒。采用磁控濺射的方法,在CuBi_2O_4薄膜上沉積了均勻的TiO_2保護層。TiO_2保護層同時可以鈍化CuBi_2O_4薄膜的表面,減少光生載流子在半導(dǎo)體/電解液界面處的復(fù)合,提升其光電流。濺射時間為50 min時,光陰極的電流密度最大,為0.82 mA/cm~2,但不足以給CuBi_2O_4薄膜在工作條件下以足夠的保護作用。當(dāng)濺射時間為130 min時,TiO_2保護層的厚度太厚,會阻礙光生載流子的輸運,降低光陰極的性能。最后選取90 min為TiO_2保護層最優(yōu)的濺射時間,即可以提升光電流至0.77 mA/cm~2,又能有效地抑制CuBi_2O_4薄膜在電解液中的光腐蝕現(xiàn)象。(3)采用水熱法制備了Co摻雜的Fe_2O_3納米棒,通過旋涂法在其表面修飾了CoFeO_x助催化劑,優(yōu)化了Fe_2O_3光陽極的起始電位和光電流密度。優(yōu)化的Fe_2O_3光電陽極上的起始電位為0.55 V_(RHE),較未優(yōu)化的Fe_2O_3光電陽極樣品相比有著320 mV的陰極偏移。同時,在1.23 V_(RHE)下,其光電流密度提高至0.81 mA/cm~2。最后利用具有高光生電壓的p型CuBi_2O_4與優(yōu)化的Fe_2O_3光陽極來搭建串聯(lián)電池。在AM 1.5G條件下的其能量轉(zhuǎn)化效率為0.15%。同時,該金屬氧化物基光解水電池有著合理的長期穩(wěn)定性。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.2;O646
【圖文】：

圖 1-1 半導(dǎo)體受光激發(fā)分解水原理示意圖Fig1-1. Schematic illustration of water splitting reaction 自發(fā)光解水器件介紹參與光電極的類型，自發(fā)光電化學(xué)分解水電池可以分為以下五體分解水電池（Single photoanode PEC cell），單個 n 型半導(dǎo)體lephotocathodePECcell），p 型半導(dǎo)體和光伏電池串聯(lián)的分解水cell），n 型半導(dǎo)體和光伏電池串聯(lián)的分解水電池（n-PV PEC cｎ型半導(dǎo)體構(gòu)成的串聯(lián)分解水電池（p-n PEC cell）。26這五種水電池的工作原理如下：圖 1-2（或圖 1-3）為單個 p 型半導(dǎo)體（或者 n 型半導(dǎo)體）分解體吸收能量大于或等于其能帶間隙的光子之后，形成光生電。p 型半導(dǎo)體和電解液接觸之后，如圖 1-2 所示，能帶彎曲并產(chǎn)

單個p型光陰極與金屬對電極組成的自發(fā)分解水電池26Fig1-2.Standardsinglesemiconductordevicesbasedonaphotocathodewithametalcounterelectrode26

單個 p 型光陰極與金屬對電極組成的自發(fā)分解水電池262. Standard single semiconductor devices based on a photocathode withr electrode26

【參考文獻】

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1 王積民;基多赤道紀念碑[J];中學(xué)地理教學(xué)參考;1997年09期

本文編號：2799125