在經(jīng)濟快速發(fā)展的今天,人們對于能源的需求與日俱增,但化石能源儲備卻日益枯竭。同時,傳統(tǒng)化石能源的大量使用,也造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染,如溫室效應(yīng)、酸雨、霧霾等危及人們生命的嚴(yán)重問題。因此,開發(fā)太陽能這種能量高、取之不盡、無地域限制的新型能源成為了解決能源危機的首選方式。但是,太陽能的存在與分布受到環(huán)境因素的限制,無法穩(wěn)定、持續(xù)的供能,因此通過水分解將太陽能轉(zhuǎn)化為氫能進(jìn)行儲存和利用是一種綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的能源使用及轉(zhuǎn)換方式。在光照條件下,具有合適帶隙的半導(dǎo)體產(chǎn)生光生電子和空穴,空穴由于光陽極材料與電解液的界面存在空間電荷場,從而進(jìn)入溶液與之反應(yīng)生成氧氣;電子通過外電路移動到陰極,與電解液中的氫離子反應(yīng)生成氫氣。在光解水中,我們需要盡可能選取帶隙在1.7~3.1 eV的半導(dǎo)體催化劑,可以利用在太陽能中比例較高的可見光部分(400~700 nm)。在可見光催化劑中,N型半導(dǎo)體硫化鎘(Cd S)(E_g=2.4 eV)由于其高載流子濃度、廉價、易制備等優(yōu)勢,經(jīng)常被用作各寬帶隙半導(dǎo)體的光敏化層。但是Cd S同樣具有不可避免的劣勢,其一,Cd S自身存在嚴(yán)重的光腐蝕,鎘元素與自身產(chǎn)生空穴反應(yīng)生成鎘離子脫落到溶液中,在實際應(yīng)用中,鎘離子的毒性會對水源產(chǎn)生嚴(yán)重污染。其二,由于Cd S帶隙較窄,其電子-空穴再復(fù)合現(xiàn)象嚴(yán)重,使得其光催化性能受到了限制。因此,本論文分別從降低Cd S光腐蝕以及提高硫化鎘載流子利用率兩個角度出發(fā)進(jìn)行了設(shè)計和研究。論文的主要內(nèi)容如下所示:1.通過一步法,以泡沫鎳為自負(fù)載基底和鎳源,合成了硫化鎘/硫化鎳(Ni S)柔性光陽極。Ni_xS_y以小異質(zhì)結(jié)的方式結(jié)合在硫化鎘周圍,起到了空穴接收器的作用,可以通過與CdS能級的匹配隨時接受其產(chǎn)生的空穴,以降低Cd S的光腐蝕。在LSV曲線測試中,單純的CdS在0.7 V位置產(chǎn)生了迅速的崩潰電壓,鎘離子進(jìn)入堿性溶液形成氫氧化鎘沉淀;當(dāng)構(gòu)建了Cd S/Ni_xS_y異質(zhì)結(jié)之后,電流隨電壓穩(wěn)定提升,溶液中無鎘離子沉淀現(xiàn)象,這證明了Ni_xS_y對于Cd S有著較強的空穴轉(zhuǎn)移能力。2.針對硫化鎘不穩(wěn)定、載流子濃度高但無法充分利用的情形,我們設(shè)計了氮化碳/硫化鎘/二硫化鉬(C_3N_4/Cd S/Mo S_2)三元復(fù)合材料,具有能級匹配結(jié)構(gòu),其中,C_3N_4為多孔結(jié)構(gòu),具有大比表面積。作為Cd S量子點的負(fù)載結(jié)構(gòu),C_3N_4不僅提供了穩(wěn)定的載體,而且成功的分離了CdS表面的電子和空穴,進(jìn)一步提高了光催化性能。但是,經(jīng)熒光測試發(fā)現(xiàn),二者復(fù)合后,由于電子傳輸速率的限制,仍然有多余載流子復(fù)合,有著較強的熒光峰。因此,Mo S_2的進(jìn)一步負(fù)載有效的提高了Cd S的電子利用率。這種三元復(fù)合材料,光催化性能較單一催化劑提高了30%,同時也具備了良好的穩(wěn)定性,此設(shè)計思路有望應(yīng)用到更多光催化劑中。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O643.36;O646.54
【部分圖文】：

圖 1.1 光合成的簡單示意圖[6]Figure 1.1 The sketch map of photosynthesis.雖然在光合作用中，多數(shù)植物對于太陽能的能量轉(zhuǎn)換效率較低，普遍不足1%，即便是其中轉(zhuǎn)換效率較高的植物或者微生物，對于太陽能的利用也僅僅是百分之幾。但是在整體光合作用的過程中，能量的損失過程主要為植物的生長過程以及對于有機物的利用過程，其吸收太陽能、電荷的分離、將水分解為氧氣這幾個主要的能量轉(zhuǎn)換步驟的效率還是比較高的。目前看來，人們試圖通過模擬光合作用，人工實現(xiàn)類似于植物的太陽光的捕獲和利用，這一新型的能源轉(zhuǎn)換與利用方式，對于地球的環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，有著重大戰(zhàn)略意義。1.2 光電化學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀人們在 20 世紀(jì) 70 年代就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體的光解水[7]和光還原[8]現(xiàn)象，

1.2 光陽極水分解的機理示意圖[3]。主要過程包括：（Ι）光吸收,（Ⅱ）流子分離及轉(zhuǎn)移,（Ⅲ） 表面氧化反應(yīng)。igure 1.2 The schematic diagram of a simple PEC cell. The main process involvelight absorption, (Ⅱ) charge carrier separation and transportation, (Ⅲ) surface redreactions.3）光電轉(zhuǎn)換效率的表達(dá)方式外量子效率（IPCE）:單位時間內(nèi)入射光子轉(zhuǎn)化成電子的效率，是衡量整統(tǒng)對于光的吸收利用的重要參數(shù)。定義如下：1240phelectronphotoNJIPCEN P （1.12中，Jph為光生電流密度，λ 為入射光波長，P 為單色入射光的功率。內(nèi)量子效率（APCE）:由于光電極無法吸收全部的入射光子，因此 APCE 表是單位時間內(nèi)吸收的光子轉(zhuǎn)換成電子的效率。定義如下：

圖 1.3 不同種類的過渡金屬氧化物的能帶位置相對于水的氧化還原電勢[20]Figure 1.3 The band gap positons for various traditional semiconductors relative tothe redox potential of water.自TiO2被發(fā)現(xiàn)之后，過渡金屬氧化物就逐漸進(jìn)入人們的視線，如圖所示，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了種類繁多的，可以適用于光陽極水分解的金屬氧化物材料。其中比較有代表性的包括TiO2,Fe2O3，WO3等，但是每種半導(dǎo)體由于自身的特性均處于優(yōu)劣摻半的狀態(tài)，仍然在持續(xù)的研究與開發(fā)之中。在半導(dǎo)體氧化物中，TiO2屬于研究最為廣泛，性質(zhì)較為優(yōu)越的一種：（1）其導(dǎo)帶位置負(fù)于氫氣產(chǎn)生的還原電勢，價帶位置正于氧氣產(chǎn)生的氧化電勢，因此TiO2可以實現(xiàn)水的全分解。（2）TiO具有良好的穩(wěn)定性，在酸性溶液、堿性溶液、中性溶液中均可進(jìn)行測試。美中不足的，TiO2的帶隙寬度為3.2 eV，只能吸收太陽光中波長在300 nm左右的部分如果TiO2處在自然太陽光照的狀態(tài)，它對于太陽能的吸收比例，僅僅是太陽總能
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本文編號：2850428