【摘要】：人類正在面臨兩個(gè)嚴(yán)峻的全球性問題:環(huán)境污染與化石能源的過度消耗。氫能以其綠色、清潔、易于儲(chǔ)存等優(yōu)勢被視為理想的能源載體之一。利用可再生資源如太陽能進(jìn)行分解水析氫是目前極具潛力的制氫技術(shù)。硅以其禁帶寬度窄、導(dǎo)帶位置適于產(chǎn)氫、儲(chǔ)量豐富等優(yōu)勢被廣泛用作光電析氫陰極,然而其仍存在平面硅吸光性能不高、低開路電壓所導(dǎo)致的光電轉(zhuǎn)化效率低、表面產(chǎn)氫動(dòng)力學(xué)惰性、穩(wěn)定性不高等問題。目前大多數(shù)析氫材料的研究都是基于酸性環(huán)境,然而工業(yè)生產(chǎn)中,酸性環(huán)境會(huì)對設(shè)備強(qiáng)度及耐腐蝕性等有較高的要求,導(dǎo)致分解水制氫成本的上升,因此設(shè)計(jì)及構(gòu)建在堿性環(huán)境中高效穩(wěn)定的硅基光電陰極對實(shí)現(xiàn)太陽能的高效利用及光電解水工業(yè)化應(yīng)用的意義重大�；谝陨蠁栴},本論文以堿性環(huán)境中高效穩(wěn)定的硅基光電析氫陰極的構(gòu)建為目標(biāo),針對硅基光電析氫陰極的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)兩個(gè)問題,設(shè)計(jì)可應(yīng)用于堿性條件下光電解水體系中的具有高催化活性的電催化劑,并通過溫和的方法負(fù)載于硅表面形成高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)界面,其中催化劑可以優(yōu)化硅表面析氫動(dòng)力學(xué),電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可提高硅基陰極的開路電壓,使電極更加滿足析氫熱力學(xué)要求。主要研究內(nèi)容如下:(1)針對目前大多數(shù)晶體析氫催化劑與硅基之間的界面相容性較差、晶體催化劑影響硅基對太陽光的吸收利用等問題,針對性地設(shè)計(jì)并制備了新型無定形三元催化劑NiSxOy。該催化劑具有良好的光學(xué)特性、合適的禁帶寬度、高效的析氫催化活性以及堿性條件下良好的穩(wěn)定性。(2)為了改善硅表面析氫動(dòng)力學(xué),通過溫和的電沉積方式,將NiSxOy析氫催化劑負(fù)載于吸光良好的硅微米金字塔結(jié)構(gòu)上,構(gòu)建了 n+p-Si/Ti/NiSxOy光電析氫陰極。該NiSxOy催化劑層有效地改善了電極表面析氫動(dòng)力學(xué),n+p-Si/Ti/NiSxOy光電析氫陰極在100 mW/cm2強(qiáng)度的模擬太陽光下表現(xiàn)出了啟動(dòng)電壓0.5 V vs.RHE、短路電流-26 nmA/cm2及至少6小時(shí)穩(wěn)定性的光電析氫性能。(3)為了提升硅基光電陰極開路電壓,通過熱蒸發(fā)過程制備出具有無定形性質(zhì)的納米級(jí)厚度金屬薄膜,在硅基電極中構(gòu)建了高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)界面,低功函數(shù)金屬層與硅基底的結(jié)合增大了電極的能帶彎曲,金屬鎳作為具有催化性質(zhì)的最外層表面修飾層展現(xiàn)了優(yōu)秀的析氫催化活性。構(gòu)建的n+p-Si/Ti/Ni電極展現(xiàn)出了啟動(dòng)電壓0.63 V vs.RHE、短路電流-38.8 mA/cm2、光電轉(zhuǎn)化效率5.1%的光電析氫性能。
【圖文】：

完整的電解水裝置一般由電解液、陰極和陽極、離子交換膜等組件組成。外逡逑加電壓作用于電極上后，水分子在陽極被氧化為0２，在陰極被還原為氏，根據(jù)逡逑電解液的不同，其反應(yīng)過程也存在差異，主要途徑如圖１．１所示。為了便于研究，逡逑在實(shí)驗(yàn)室范疇內(nèi)，我們通常將水分解反應(yīng)分為兩個(gè)半反應(yīng)來研究，即陽極的產(chǎn)氧逡逑反應(yīng)和陰極的析氫反應(yīng)。本論文我們將主要針對陰極的析氫反應(yīng)進(jìn)行研究。逡逑３邋ｅ＇邐ｅ＇邐ｂ邋ｅ＇邐ｅ＇逡逑0，邐２Ｈ２邐0７邐２Ｈ，，逡逑Ａ￣邐Ａ邐Ａ邐Ａ逡逑｜｜Ｊ邋１１１邐＿逡逑■陽（邐陰｜邐｜陽（邐Ｙ陰＿逡逑■極、２Ｈ，０邐丨極、４０Ｈ—逡逑Ｉｐ邐酣電解質(zhì)－Ｊ邐ｇｐ堿性電^簀危叔義賢跡保彼嶁裕ǎ幔┖圖钚裕ǎ猓┑緗庖褐械綬紙饉硎疽饌�。辶x希疲椋紓酰潁邋澹保卞澹櫻悖瑁澹恚幔簦椋沐澹椋歟歟酰螅簦潁幔簦椋錚鑠澹錚駑澹澹歟澹悖簦潁錚悖瑁澹恚椋悖幔戾澹鰨幔簦澹蟈澹螅穡歟椋簦簦椋睿玨澹椋鑠澹幔悖椋溴澹ǎ幔╁澹螅錚歟酰簦椋錚鑠澹幔睿溴義希幔歟耄幔歟椋睿邋澹ǎ猓╁澹螅錚歟酰簦椋錚睿義洗踴と攘ρЫ嵌確治觶紙饈且桓黽妓棺雜贍茉黽擁墓�，常昔敚压辶x舷攏ǎ卞澹幔簦恚澹玻靛

本文編號(hào)：2692047