本文關(guān)鍵詞：層狀復(fù)合型半導(dǎo)體陰極材料的研制及其分解水應(yīng)用

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【摘要】：利用可再生資源發(fā)電電解水制氫和直接利用太陽能光電分解水制氫因其能耗低可再生性強(qiáng),而成為最具有潛力的制氫技術(shù)。這兩種制氫方式都需要在析氫陰極的催化下才能實(shí)現(xiàn)。然而,目前用于分解水制氫的陰極存在著一些問題,如在電催化中,存在析氫過電位較大、電極的制備過程復(fù)雜、成本過高等問題;而在光電催化中,存在有效吸光材料缺乏、電子與空穴易復(fù)合、光電轉(zhuǎn)換效率低等問題,從而大大限制了此類電極在分解水產(chǎn)氫中的催化活性。因而,設(shè)計(jì)及構(gòu)造高效穩(wěn)定的陰極材料對(duì)實(shí)現(xiàn)分解水制氫的工業(yè)化應(yīng)用意義重大。基于此,本論文以高效穩(wěn)定的陰極材料的構(gòu)建為目標(biāo),以內(nèi)在性質(zhì)可調(diào)的納米半導(dǎo)體為材料,通過優(yōu)化電極的制備方法、負(fù)載助催化劑等方法設(shè)計(jì)和制備層狀復(fù)合型的高效析氫陰極,并研究其在分解水制氫中的催化性能。主要研究內(nèi)容如下:1.Ni-S/ITO電極的制備及其電催化分解水產(chǎn)氫應(yīng)用為了改善金屬硫化物制備繁瑣的問題,本實(shí)驗(yàn)使用一步光協(xié)助電沉積法制備出具有高效穩(wěn)定性能的電催化產(chǎn)氫電極Ni-S/ITO,并通過電化學(xué)分析篩選得到性能最好的電極的Ni-S負(fù)載量為6層。分別在中性和堿性介質(zhì)中考察了該電極在電催化過程中的穩(wěn)定性,結(jié)果表明,在兩種不同的電解質(zhì)中持續(xù)反應(yīng)22 h和11 h電流密度沒有明顯衰減,該電極具有很好的穩(wěn)定性。此外,把Ni-S/ITO電極用于實(shí)際產(chǎn)氫反應(yīng),該電極表現(xiàn)出了優(yōu)異的電催化產(chǎn)氫活性,具有較低的過電勢(shì),在-0.4 V(vs RHE)的電壓下可產(chǎn)生1mA?cm-2的電流密度,且法拉第效率接近100%。機(jī)理研究表明,Ni-S/ITO電極具有如此高的催化產(chǎn)氫活性是因?yàn)镹i-S大大降低電子在界面間的傳輸阻力,促進(jìn)了質(zhì)子與電子結(jié)合生成H2;采用SEM、TEM、XRD、XPS等分析方法對(duì)上述性能優(yōu)異的電極進(jìn)行了表征分析,證明了該電極的活性成分是NiS/Ni(OH)2。本實(shí)驗(yàn)方法在常溫常壓下進(jìn)行,操作簡單,可控性強(qiáng),為大規(guī)模生產(chǎn)提供了可能。2.MoS_2/CdSe/NiO光電陰極的制備及其催化分解水產(chǎn)氫應(yīng)用本文采用吸光范圍寬、穩(wěn)定性好的無機(jī)納米材料CdSe取代譜帶窄的有機(jī)染料作為吸光材料,使用離子交替吸附法(SILAR)使CdSe層原位生長在NiO表面,構(gòu)成CdSe/NiO光電陰極,并通過優(yōu)化沉積量,得知當(dāng)CdSe的沉積層數(shù)為6層時(shí),其光電催化性能最佳。對(duì)所制的CdSe/NiO電極進(jìn)行了SEM、UV-vis、計(jì)時(shí)電流表征,發(fā)現(xiàn)CdSe的沉積提高了電極在可見光區(qū)域的吸收,從而提高了光電流密度。此外,考察了CdSe/NiO電極在氮?dú)怙柡团c空氣飽和的中性介質(zhì)中的穩(wěn)定性,結(jié)果表明該電極在7 h的反應(yīng)過程中電流很平穩(wěn),表現(xiàn)出了優(yōu)異的穩(wěn)定性。對(duì)影響CdSe/NiO電極產(chǎn)氫的因素做了探討,結(jié)果表明,我們所制備的電極是一種優(yōu)良的光電陰極,且光源、外加電壓和助催化劑是該電極光電催化分解水產(chǎn)氫的必要條件。MoS_2負(fù)載后,電極的電流密度大大提高,其產(chǎn)氫速率可達(dá)到0.52μmol h-1 cm-2(CdSe/NiO電極僅為0.07μmol h-1 cm-2),且法拉第效率接近100%。采用TEM,XPS、ICP、UV-vis和計(jì)時(shí)電流等分析方法對(duì)MoS_2/CdSe/NiO電極進(jìn)行了表征分析。3.基于g-C_3N_4的光電陰極的構(gòu)建及其催化產(chǎn)氫應(yīng)用g-C_3N_4作為一種新型的非金屬光催化材料,具有很大的應(yīng)用價(jià)值,但把其作為吸光材料在光電陰極的應(yīng)用還未被研究。本文通過簡單熱聚合方法將g-C_3N_4原位生長在NiO表面,制備出了新型的基于非金屬g-C_3N_4的光電陰極,采用SEM、TEM、XPS等分析方法對(duì)其結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行了表征,采用UV-vis和電化學(xué)分析方法考察了g-C_3N_4/NiO光電陰極的光電催化性能,結(jié)果表明,NiO和g-C_3N_4的復(fù)合大大提高了電極的光電性能,與單獨(dú)的NiO電極和g-C_3N_4電極相比其光電流密度分別提高了10倍和20倍之多。在有無氧氣存在的電解質(zhì)中通過長時(shí)間反應(yīng)考察了該電極的穩(wěn)定性,結(jié)果表明g-C_3N_4/NiO電極在兩種情況下反應(yīng)過程中的光電流均無衰減現(xiàn)象,且通過反應(yīng)前后的XPS對(duì)比也發(fā)現(xiàn)其電極組分未發(fā)生任何變化,表明我們制出了一種性能很穩(wěn)定的光電陰極�？疾炝薵-C_3N_4/NiO光電陰極在實(shí)際光電分解水產(chǎn)氫中的催化性能,發(fā)現(xiàn)其在-0.2 V(vs RHE)的電壓下4小時(shí)可產(chǎn)生0.64μmol的氫氣,與通過外電路中的電荷計(jì)算出的理論產(chǎn)氫量相比知道其法拉第效率接近100%,且把該電極應(yīng)用到實(shí)際中的太陽光分解水實(shí)驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)氫效果也是可觀的。熒光光譜與阻抗譜分析探究了g-C_3N_4/NiO光電陰極光電催化分解水產(chǎn)氫的機(jī)理。
【關(guān)鍵詞】：電催化 光電催化 陰極 制氫 機(jī)理
【學(xué)位授予單位】：江南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ116.2;O643.36
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 緒論9-21
• 1.1 引言9
• 1.2 （光）電解水制氫的基本原理9-11
• 1.3 電解水制氫11-14
• 1.3.1 電解水制氫的研究意義11
• 1.3.2 電解水制氫電極材料研究現(xiàn)狀11-13
• 1.3.3 電解水制氫電極材料發(fā)展方向13-14
• 1.4 光電催化分解水制氫14-19
• 1.4.1 光電陰極的研究意義14-16
• 1.4.2 影響光電陰極效率的因素16-17
• 1.4.3 光電陰極的研究進(jìn)展及提高光電陰極效率的方法17-19
• 1.5 本論文的選題思路及研究內(nèi)容19-21
• 第二章 Ni-S/ITO電極的制備及其電催化分解水產(chǎn)氫應(yīng)用21-33
• 2.1 前言21
• 2.1.1 研究背景21
• 2.1.2 本章創(chuàng)新點(diǎn)21
• 2.2 實(shí)驗(yàn)試劑21-22
• 2.3 主要實(shí)驗(yàn)儀器22
• 2.4 實(shí)驗(yàn)方法22-24
• 2.4.1 Ni-S電催化劑的制備22-23
• 2.4.2 表征方法23
• 2.4.3 電化學(xué)性能測(cè)試23-24
• 2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論24-32
• 2.5.1 電極的電催化性能24-28
• 2.5.2 電極的電催化產(chǎn)氫機(jī)理28-29
• 2.5.3 電極的表征分析29-32
• 2.6 本章小結(jié)32-33
• 第三章 MoS_2/CdSe/NiO光電陰極的制備及其催化產(chǎn)氫應(yīng)用33-50
• 3.1 引言33-34
• 3.1.1 研究背景33-34
• 3.1.2 本章創(chuàng)新點(diǎn)34
• 3.2 實(shí)驗(yàn)試劑34
• 3.3 主要實(shí)驗(yàn)儀器34-35
• 3.4 實(shí)驗(yàn)方法35-37
• 3.4.1 MoS_2/CdSe/NiO光電陰極的制備35-36
• 3.4.2 表征方法36
• 3.4.3 光電化學(xué)性能測(cè)試36-37
• 3.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論37-49
• 3.5.1 CdSe/NiO光電陰極的表征分析37-41
• 3.5.2 MoS_2/CdSe/NiO光電陰極的表征分析41-45
• 3.5.3 MoS_2/CdSe/NiO光電陰極的產(chǎn)氫性能及機(jī)理研究45-49
• 3.6 本章小結(jié)49-50
• 第四章 基于g-C_3N_4的光電陰極的構(gòu)建及其催化產(chǎn)氫應(yīng)用50-65
• 4.1 引言50-51
• 4.1.1 研究背景50
• 4.1.2 本章創(chuàng)新點(diǎn)50-51
• 4.2 實(shí)驗(yàn)試劑51
• 4.3 主要實(shí)驗(yàn)儀器51-52
• 4.4 實(shí)驗(yàn)方法52-53
• 4.4.1 g-C_3N_4/NiO光電陰極的制備52
• 4.4.2 表征方法52-53
• 4.4.3 光電化學(xué)性能測(cè)試53
• 4.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論53-64
• 4.5.1 g-C_3N_4/NiO光電陰極的表征分析53-59
• 4.5.2 影響g-C_3N_4/NiO光電陰極產(chǎn)氫的因素與產(chǎn)氫效率59-62
• 4.5.3 g-C_3N_4/NiO光電陰極產(chǎn)氫的機(jī)理研究62-64
• 4.6 本章小結(jié)64-65
• 第五章 全文總結(jié)與展望65-67
• 5.1 全文總結(jié)65-66
• 5.2 展望66-67
• 致謝67-68
• 參考文獻(xiàn)68-78
• 附錄: 作者在攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文78

【相似文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 ;用陽光分解水[J];廣西工學(xué)院學(xué)報(bào);1997年03期

2 ;分解水的新型催化劑[J];企業(yè)技術(shù)開發(fā);2002年02期

3 ;美科學(xué)家開始研究利用太陽能分解水廉價(jià)制氫[J];東北電力技術(shù);2005年09期

4 韓斌;;對(duì)通電分解水簡易裝置的改進(jìn)[J];中小學(xué)實(shí)驗(yàn)與裝備;2011年03期

5 潘s，

本文編號(hào)：1052244