| ZnO基光阳极材料的可控构建及其光电催化性能研究 | |
| Alternative Title | 无 |
| 符淑瑢 | |
| Thesis Advisor | 毕迎普 |
| 2019-05-28 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 理学博士 |
| Degree Discipline | 物理化学 |
| Keyword | 光电催化 ZnO 助催化剂 水分解 Photoelectrocatalysis ZnO Cocatalyst Water Splitting |
| Abstract | 氢能是一种具有极高能量密度的清洁能源，被认为有可能取代石油和煤炭体系作为未来全球经济的能源基础。而利用可持续太阳能进行光电催化（PEC）水分解制取氢气，无论是从环境友好的角度还是能源利用的角度考虑，都是最理想的制氢技术之一。光电极材料作为光电催化水分解反应最核心的部分，决定着太阳能到化学能的转换效率。一维ZnO纳米棒阵列，由于其制备方法简单且具有低成本、无毒、良好的导电性和高的比表面积等特点，是光电催化水分解反应最有前途的光电材料之一。但一维ZnO纳米棒阵列的光生电荷复合率较高且表面析氧反应（OER）动力学较慢，严重限制了太阳能到氢气的转换效率。因此，本论文通过对ZnO纳米棒阵列进行修饰，可控构建了一系列ZnO基光阳极材料，并研究了其光电催化水分解性能。 （1）通过光控制PtO纳米线在ZnO纳米棒阵列之间高选择性的垂直取向生长，构建了新型的交联PtO/ZnO异质纳米线阵列光阳极。其中ZnO纳米棒阵列的光生电场是PtO纳米线选择性垂直生长的关键，而且PtO纳米线首次被用作PEC水分解产氢系统中的高效OER助催化剂，其活性远高于其他Pt物种（Pt，PtO2-x，PtO2）修饰的ZnO纳米棒阵列。研究表明，其优异的PEC性能归功于纯PtO晶相和垂直取向的纳米线结构，它可以有效地促进光生空穴的捕获与传输，抑制了垂直取向的PtO纳米线和ZnO纳米棒阵列之间的界面电荷复合，并为水氧化反应提供更多的活性位点。 （2）利用EDTA-Fe(II)配合物在水溶液中缓慢释放Fe2+离子的特点，通过控制反应时间得到了超薄FeOOH助催化剂修饰的ZnO纳米棒阵列光阳极。研究发现超薄FeOOH助催化剂可以将ZnO产生的光生空穴进行有效地转移并发生水氧化反应，从而抑制了光生电子空穴对的复合。在1.23VRHE时，thin-FeOOH/ZnO光阳极的光电流密度为1.02mAcm-2，约为纯ZnO（0.51mAcm-2）的2倍。此外，超薄结构的FeOOH不影响ZnO对光的吸收利用，相比于较厚的FeOOH，它具有更少的电子空穴复合中心，更有利于提高ZnO纳米棒阵列的光电催化水分解性能。 （3）通过控制存储空穴的ZnWO4纳米圆片在ZnO纳米棒顶端的外延生长和NiOOH助催化剂的修饰，构建了高效的NiOOH/ZnWO4/ZnO纳米伞状结构光阳极。研究发现ZnWO4纳米圆片能够有效地从ZnO光阳极上提取和存储光生空穴，在修饰助催化剂NiOOH之后，存储在ZnWO4纳米层中的空穴可以快速转移到OER助催化剂表面发生PEC水氧化反应。在AM1.5G模拟太阳光（100mWcm-2）照射条件下，伞状NiOOH/ZnWO4/ZnO光阳极的光电流密度在1.23VRHE时可达到1.7mAcm-2，约为纯ZnO光阳极（0.53mAcm-2）的3倍，主要归结于ZnWO4纳米圆片的外延生长减小了界面势能和助催化剂提供的水分解反应活性位点的协同作用。此外，伞状结构NiOOH/ZnWO4/ZnO光阳极的起始电位相比纯ZnO发生明显负移（~200mV），且表现出优异的PEC稳定性。 （4）利用磁控溅射技术在ZnO纳米棒阵列上均匀的沉积金属Pt纳米颗粒，得到了高导电的一维Pt/ZnO纳米棒阵列。进一步通过机械搅拌将超薄Fe、K共掺杂的氮化碳（FeKCN）薄膜均匀的包裹在Pt/ZnO纳米棒阵列表面，构建了Pt/ZnO@FeKCN光阳极。由于FeKCN与导电基底Pt/ZnO具有较大的接触面积，FeKCN产生的光生电子可以快速的传输到Pt/ZnO上，并进一步通过FTO到达对电极发生水还原反应，提高了光生电子的利用率，抑制了FeKCN光生电荷的复合。在1.23VRHE时，Pt/ZnO@FeKCN光阳极的光电流密度达到了1.58mAcm-2，远高于FeKCN光阳极。此外，K离子和Fe离子的掺杂分别增加了CN的导电性和反应活性位数量，Pt/ZnO@FeKCN的光电流密度约是15s-Pt/ZnO@CN光阳极（0.88mAcm-2）的1.8倍。 |
| Other Abstract | 无 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/26298 |
| Collection | 精细石油化工中间体国家工程研究中心（ERC） |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 符淑瑢. ZnO基光阳极材料的可控构建及其光电催化性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2019. |
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