隨著人類社會飛速發(fā)展,人們對能源的需求日益增長。然而,因化石能源產(chǎn)生的大氣和環(huán)境污染問題給人類社會的可持續(xù)發(fā)展帶來了巨大挑戰(zhàn)。因為氫元素的地球儲量豐富并具有較大的燃燒熱值,氫氣成為最具潛力的清潔能源材料之一。自從半導(dǎo)體制氫技術(shù)發(fā)現(xiàn)以來,光電催化分解水就被視為最具潛力的制氫技術(shù)之一。由于價格低廉,禁帶寬度窄,化學穩(wěn)定性好等特性,氧化鐵（α-Fe₂O₃）光陽極受到大家的廣泛關(guān)注和研究。但是α-Fe₂O₃還存在載流子擴散距離短,載流子密度低,表面態(tài)密度高和緩慢的氧化水反應(yīng)動力學過程等問題,使得其光電催化性能遠遠低于理論預(yù)測值。本論文將主要通過摻雜,修飾具有析氧反應(yīng)（OER）活性的鈍化層等方法來增加氧化鐵載流子濃度,加快氧化水反應(yīng)動力學過程和鈍化表面態(tài),提高其光電催化分解水的性能。本論文主要包括以下幾部分的內(nèi)容:（1）氧空位對氧化鐵光電催化性能的影響:由于導(dǎo)電性差并且載流子擴散距離短,α-Fe₂O₃光陽極產(chǎn)生的光生載流子易于在體相發(fā)生復(fù)合,因此α-Fe_2... 

【文章來源】：華中科技大學湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：125 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

應(yīng)用于光電催化的部分氧化物和氮氧化物的能帶結(jié)構(gòu),禁帶寬度標識為紅線的為n型半導(dǎo)體，黑線為p型半導(dǎo)體

華中科技大學博士學位論文3<0Vvs.NHE。光生空穴和電子可以從半導(dǎo)體內(nèi)部遷移至表面分別與溶液中的OH-或者H2O和H+發(fā)生氧化還原反應(yīng)而生成氧氣和氫氣。此過程可以表述為：Semiconductor+hν→e+h+（1.1）2e+2H+→H2（1.2）2h++2H2O→O2+4H+（1.3）整個光催化分解水的過程可以總結(jié)為3個過程：①光的吸收即產(chǎn)生光生電子和空穴；②光生載流子的分離，即光生電子和空穴向半導(dǎo)體表面遷移；③半導(dǎo)體表面的氧化還原反應(yīng)。由于半導(dǎo)體能帶位置不合適或者存在雜質(zhì)能級等原因無法實現(xiàn)全解水，大部分光催化體系都通過添加犧牲劑(甲醇或者硝酸銀)實現(xiàn)析氫或析氧半反應(yīng)。[14-16]圖1.2基于半導(dǎo)體的光催化制氫原理。[13]Figure1.2Fundamentalprincipleofsemiconductor-basedphotocatalyticwatersplittingforhydrogengeneration.1.2.2.2半導(dǎo)體/電解液界面光催化和光電催化從本質(zhì)上都是利用半導(dǎo)體吸收光從而產(chǎn)生電子和空穴氧化還原分解水。相較于光催化體系而言，光電催化體系發(fā)生的現(xiàn)象大都與半導(dǎo)體/電解質(zhì)形成的界面有關(guān)。基于此，我們非常有必要了解半導(dǎo)體/電解液界面形成原理以及在偏壓和光的作用下發(fā)生的變化。

7）公式中ε為半導(dǎo)體的相對介電常數(shù)，ε0為真空介電常數(shù)，V為外加電壓，VB為平帶電位，q為電子電量,n0和p0分別為半導(dǎo)體內(nèi)的電子和空穴的濃度。半導(dǎo)體的空間擴散寬度與半導(dǎo)體的載流子濃度和外加電壓都有著直接的關(guān)系。與半導(dǎo)體接觸的電解液中形成雙電層即亥姆赫茲層（Helmholtzlayer）和古伊層（Gouylayer）。亥姆赫茲層的寬度約0.3–0.5nm，不依賴于半導(dǎo)體自身的特性。而古伊層取決于電解液的溶度，在稀溶液中約為10~100nm而在濃的（1摩爾/升）電解液中則為單分子層。所以在濃的電解液中，古伊層可以忽略。[18]圖1.4施加外偏壓對n型半導(dǎo)體的影響。[19]Figure1.4Effectofapplyingabiasvoltage(VA)toann-typesemiconductorphotoelectrode.為了將電解液的能級和半導(dǎo)體的能級聯(lián)系起來，引入一個非常重要的半導(dǎo)體衡量參數(shù)—平帶電位（flatpotential）。可以用相對于標準氫電極（NHE）或者可逆氫


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