本文選題：能源轉(zhuǎn)換　切入點(diǎn)：二維晶體　出處：《中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：隨著化石燃料的迅速枯竭和環(huán)境污染的日益惡化,如何實(shí)現(xiàn)可再生能源的有效轉(zhuǎn)換成為科學(xué)們當(dāng)前首要解決的一個(gè)重要且緊迫問題。在各種能源轉(zhuǎn)換途徑中,電催化和光催化分解水,光致發(fā)光都是常用的有效的能源轉(zhuǎn)換方式。其中前兩種能源轉(zhuǎn)換方式是將大量的、可再生的電能和太陽能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能,而光致發(fā)光是將太陽光和紫外光轉(zhuǎn)換為日常生活中可用的光。由此可以看出這幾種能源轉(zhuǎn)換方式對于解決目前的能源危機(jī)起著重要的作用。而這些能源轉(zhuǎn)換過程的有效進(jìn)行離不開起決定性作用的電催化劑、光催化劑及光致發(fā)光熒光材料。二維晶體包括準(zhǔn)石墨烯和無機(jī)類石墨烯材料因其超薄的厚度和二維平面結(jié)構(gòu),表現(xiàn)出獨(dú)特且有潛力的物理和化學(xué)特性,這為它們在電催化、光催化和光致發(fā)光領(lǐng)域的應(yīng)用帶來了巨大的機(jī)遇。本論文目的是通過分析以上三種能源轉(zhuǎn)換過程中材料對它們性能的影響和制約因素,合理設(shè)計(jì)功能型二維晶體,以此實(shí)現(xiàn)高效率能源轉(zhuǎn)換。作者通過引入氟端基對超薄MXene納米片表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾顯著提高了 MXene的電催化析氫活性。通過制備超薄硅氧烯納米片實(shí)現(xiàn)硅基材料在光催化水分解領(lǐng)域的應(yīng)用。通過在帶隙可調(diào)的超薄三元納米片中引入富疇界結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)白光的產(chǎn)生。以下三點(diǎn)是本論文的主要內(nèi)容:1.電子導(dǎo)電性和催化活性位點(diǎn)數(shù)目是影響電催化析氫性能的兩個(gè)重要因素。基于此,作者通過在原子尺度下對MXene進(jìn)行表面結(jié)構(gòu)調(diào)控同時(shí)實(shí)現(xiàn)電子導(dǎo)電性和活性位點(diǎn)密度的優(yōu)化,最終實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的電催化析氫活性。以表面含有富氟端基Ti2CTx納米片為例。通過實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)富氟端基可以降低氫吸附吉布斯自由能和電荷轉(zhuǎn)移電阻,因此使得Ti2CTx納米片有良好的電子導(dǎo)電性和有利的電催化產(chǎn)氫過程。同時(shí),富氟端基Ti2CTx納米片的金屬特性能夠進(jìn)一步提高電催化過程中快速的電子運(yùn)輸。除此之外,與其塊體材料相比,Ti2CTx納米片超薄的厚度提供大量的電化學(xué)表面積和更多的催化活性位點(diǎn),極大的有利于催化反應(yīng)。最終,受益于良好的電子導(dǎo)電性和高暴露有效活性位點(diǎn),富氟端基Ti2CTx納米片表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化析氫性能,具有較小的起始過電位為和較大的交換電流密度。本工作的研究為設(shè)計(jì)具有優(yōu)異電催化活性的MXene基材料提供一個(gè)新思路。2.發(fā)展新型不含金屬元素半導(dǎo)體光催化劑用于水分解產(chǎn)氫具有重大的科學(xué)意義。作者通過拓?fù)滢D(zhuǎn)換法合成不含金屬元素的超薄硅氧烯(Si6H603)納米片,首次用實(shí)驗(yàn)證明了在無助催化劑和犧牲劑條件下,硅氧烯超薄納米片具有優(yōu)異的光催化分解水制備氫氣的能力。紫外-可見吸收光譜表明硅氧烯帶隙為2.50 eV。莫特-肖特基曲線測試其平面電勢為-0.92 Vvs銀/氯化銀電極,據(jù)此分析出它的導(dǎo)帶電位比氫電極電位EH+/H2稍負(fù),因此從理論上證明硅氧烯超薄納米片具有光催化分解水產(chǎn)氫能力。通過對比在光照和黑暗條件下進(jìn)行的產(chǎn)氫性能測試結(jié)果,作者發(fā)現(xiàn)盡管硅氧烯納米片在水中不穩(wěn)定,會發(fā)生水解產(chǎn)生少量氫氣,但其自身仍具有優(yōu)異的光催化產(chǎn)氫性能。在光照2 h的時(shí)候,其產(chǎn)氫速率高達(dá)11.4 mmol g-1h-1,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他已報(bào)道的金屬基半導(dǎo)體催化劑。本工作中的發(fā)現(xiàn)為硅基納米材料在光催化水分解領(lǐng)域的開發(fā)提供了重大的指導(dǎo)意義。3.通過分析增加表面態(tài)發(fā)光是單相熒光材料實(shí)現(xiàn)白光的最佳途徑,作者首次提出了在帶隙可調(diào)的二維超薄納米片引入富疇界結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)白光的產(chǎn)生。以Zn1-xCdxS三元納米片體系為例,富疇界結(jié)構(gòu)的引入極大的增加了電子-空穴復(fù)合中心,豐富了電子捕獲表面態(tài)并且縮短了載流子從光生區(qū)域到復(fù)合中心的傳輸距離,最終產(chǎn)生增強(qiáng)的長波長表面態(tài)發(fā)光。另外,三元納米片可調(diào)節(jié)的禁帶寬度賦予其位置可調(diào)節(jié)的本征帶邊發(fā)光峰。因此,通過長波長的表面態(tài)發(fā)光與短波長的本征帶邊發(fā)光互補(bǔ)最終產(chǎn)生了白光,即當(dāng)產(chǎn)物組分為Zn0.44Cd0.56S時(shí),其CIE色坐標(biāo)為(0.35,0.32),這一色坐標(biāo)與最好的白光點(diǎn)坐標(biāo)(0.33,0.33)很接近,因此獲得了白光。本工作實(shí)現(xiàn)白光發(fā)光的方法也為今后新型發(fā)光材料的開發(fā)提供了重大的指導(dǎo)意義。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O643.36;TQ422

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本文編號：1632339