隨著21世紀能源短缺和環(huán)境污染兩大世界性難題日益凸顯,全世界正經(jīng)受著前所未有的巨大挑戰(zhàn),積極探索并開發(fā)地球儲量豐富、低成本、無毒無污染、綠色環(huán)保型的可再生清潔能源是有效解決人類生存環(huán)境繼續(xù)惡化的有效途徑之一,具有長遠性和戰(zhàn)略性的意義。氫氣是一種高能量密度的可再生清潔能源,因便于存儲、運輸且適用性廣等優(yōu)點而備受關(guān)注。光電催化技術(shù)被評為是最廉價、高效、便捷、可持續(xù)應(yīng)用的先進型技術(shù)手段,通過光陽極和光陰極的氧化/還原反應(yīng)快速地將太陽能轉(zhuǎn)化為化學能并以化學鍵的形式存儲,該過程類似于自然界中的光合作用。光電催化過程中,光電極的高效性、穩(wěn)定性和重復(fù)性是當前科學研究的熱點問題之一。半導(dǎo)體光電催化主要涉及光的吸收、光生載流子的分離和遷移、表界面氧化/還原反應(yīng)等過程,故光電極結(jié)構(gòu)需具有寬光譜響應(yīng)、快速載流子分離和遷移效率及高效表面化學反應(yīng)等特點。在諸多半導(dǎo)體材料中,IV-VI族化合物SnS₂和SnSe₂因其獨特的層狀結(jié)構(gòu)而具有載流子遷移率高、對紫外-可見-近紅外光響應(yīng)性能好及光電催化效率高等特點,在光電催化領(lǐng)域中展現(xiàn)出巨大的潛力及應(yīng)用前景。本論文構(gòu)建了多種高效... 

【文章來源】：西北大學陜西省 211工程院校

【文章頁數(shù)】：200 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

太陽能電池制氫、制氧應(yīng)用及其氫燃料加氣站概念圖[12]

西北大學博士學位論文4工作電極、電解槽和電解液等五部分組成，工作電極根據(jù)半導(dǎo)體的類型可以分為光陽極（n型半導(dǎo)體）和光陰極（p型半導(dǎo)體）。圖1.2半導(dǎo)體光電催化分解水機理示意圖Fig.1.2Schematicillustrationofsemiconductorforphotoelectrochemicalwatersplitting以光陽極為例（圖1.2a所示），在光照條件下，n型半導(dǎo)體吸收高能光子（光子能量等于或大于半導(dǎo)體禁帶寬度），使其價帶中的電子（e-）被激發(fā)至導(dǎo)帶產(chǎn)生光生電子-空穴對（e-/h+）。由于n型半導(dǎo)體的費米能級與電解液氧化/還原電位的電勢差而致使半導(dǎo)體表面的能帶向上彎曲并形成空間電荷區(qū)，光生電子/空穴在空間電荷區(qū)中電場力的作用下發(fā)生分離[14]。在外加電壓（外電場）作用下，半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的e-遷移至對電極（Pt絲）表面，直接與電解液中的H+發(fā)生還原反應(yīng)，生成H2（析氫反應(yīng)）；而半導(dǎo)體價帶中的h+在電場力的作用下遷移至光陽極的表面，直接與電解液中的OH-發(fā)生氧化反應(yīng)，生成O2（析氧反應(yīng)），從而就實現(xiàn)了半導(dǎo)體經(jīng)過光電催化過程將電解液中的H2O分子氧化/還原成O2和H2。該光陽極的光電催化過程可以由以下公式進行描述：hvVBCBSemiconductorhe(1.1)對電極表面：22H2eHgE0=0Vvs.RHE(1.2)光陽極表面：22122HOOgHE0=1.23Vvs.RHE(1.3)電極總反應(yīng)：22212HOOgHg△E=1.23Vvs.RHE(1.4)同理可知，對于p型半導(dǎo)體（光陰極）如圖1.2b所示，光陰極導(dǎo)帶中的e-與電解液中的H+發(fā)生的是還原反應(yīng)，產(chǎn)生H2；而對電極表面的h+與電解液中的OH-發(fā)生的是氧化反應(yīng)，產(chǎn)生O2。由以上公式可知，在常溫25oC和標準氣壓條件下，水分解時所需的熱力學電壓為1.23V。為實現(xiàn)高效光電催化分解水制氫，外加電壓通常選擇大于1.23V。圖1.2c是由光陽極和光陰極串聯(lián)起來組成

第一章緒論5陰極均為半導(dǎo)體材料，可以同時受光激發(fā)產(chǎn)生大量的電子-空穴對。由于電極/電解液界面處的能帶彎曲形成了空間電荷區(qū)，光生電子-空穴對在空間電荷區(qū)內(nèi)電場的作用下迫使分離并分別遷移至光陰極和光陽極表面，因此無需外加偏壓即可實現(xiàn)光電催化分解水并產(chǎn)生H2和O2。1.2.2光電極材料的基本要求根據(jù)圖1.3[15]可以看出，太陽光譜輻射的能量密度隨著波長（300-1000nm）的變化而變化，大致可以分為3部分：紫外光波段（300-400nm）、可見光波段（400-750nm）和近紅外光波段（750-1000nm），其中紫外光波段僅約占總能譜的5%，可見光波段約占總能譜的43%，其余的為近紅外光波段。由此來看，半導(dǎo)體的帶隙對光電極的光譜利用效率具有決定性的作用。因此，為了獲得高的光-氫轉(zhuǎn)換效率（Solar-to-hydrogenenergyconversionefficiency，即STH）和光電流密度，應(yīng)該將光電極材料的光譜拓寬至可見光波段、乃至近紅外光波段�？紤]到過電位要求（0.4-0.6eV）和能量損失（0.3-0.4eV），半導(dǎo)體的理想帶隙應(yīng)該約為2.0eV，而對應(yīng)的吸收邊帶約為620nm[15-19]。圖1.3在標準AM1.5G(100mWcm-2)太陽光譜下，基于半導(dǎo)體帶隙的光電極最大理論光-氫轉(zhuǎn)換效率和光電流密度譜[15]Fig.1.3TheoreticalmaximumSTHefficiencyandphotocurrentdensityofphotoelectrodesbasedonthebandgapundertheilluminationofAM1.5Gsolarspectrum(100mWcm2)在同一個光電催化系統(tǒng)中，要實現(xiàn)光電極材料能夠從太陽能-化學能的高效轉(zhuǎn)換，不僅僅需要考慮半導(dǎo)體的帶隙，其結(jié)構(gòu)、形貌等對太陽能的吸收和利用效率也是非常關(guān)鍵的因素。尤其光催化劑/光電極材料應(yīng)用于太陽能分解水制氫和制氧時，所需的光催化劑

【參考文獻】：
期刊論文
[1]氫能利用與發(fā)展綜述[J]. 于蓬,王健,鄭金鳳,張亮修,王恒元.  汽車實用技術(shù). 2019(24)
[2]CO2資源化利用的現(xiàn)狀及前景[J]. 王曉剛,李立清,唐琳,郭三霞,高招.  化工環(huán)保. 2006(03)



本文編號：3406285