| 基于Bi2WO6/TiO2半导体光阳极的结构设计及光电催化性能研究 | |
| Alternative Title | 无 |
董国俊
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| 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 | Bi2WO6 TiO2 光阳极 光电催化 photoanode photoelectrocatalysis |
| Abstract | 光电催化（PEC）分解水被认为是一种有前景的能源转换方式，旨在解决当前严峻的能源与环境问题。因其操作简单、成本低廉、环境友好等特点，受到了科研工作者们广泛的研究。本论文基于半导体光阳极的结构设计，通过形貌调控、助催化剂修饰、异质结构筑等策略有效地提升了Bi2WO6和TiO2的光电催化性能。具体来讲，文中展示了简单易行的光阳极制备方法、阐明了增强光电催化性能的基本机理并提出了高性能光阳极的设计理念。主要的研究内容和结论如下： 1. 多孔结构Bi2WO6光阳极的制备及其光电催化性能研究 采用简单的液滴涂布法在FTO导电基底上制备了具有纳米多孔结构的Bi2WO6薄膜。通过探究前驱液浓度和退火温度对所制备薄膜微观形貌的具体影响，得出Bi前驱液浓度为75mM、退火温度为500℃条件下可获得表面平整且孔径均一的多孔结构Bi2WO6光阳极。在AM1.5G(100mW/cm2)太阳光辐照、相对可逆氢电势1.23V(1.23VRHE)偏压下其光电流密度为0.12mA/cm2。此外，使用自主设计的协同光照X射线光电子能谱（SIXPS）分析了多孔Bi2WO6在光激发下原子间电荷转移方向，表明电子从Bi原子位和W原子位转移到O原子的位。这部分研究开发了一种简单的多孔结构Bi2WO6光阳极制备方法，且提供了分析原子间电荷传输的新型表征手段。 2. Bi2WO6纳米片结构与Co3O4助催化剂协同增强PEC性能研究 采用水热法结合后续退火在FTO导电基底上制得Bi2WO6纳米片阵列。由于其独特的纳米片结构增强了体相电荷传输能力，在模拟的AM1.5G(100mW/cm2)太阳光辐照、1.23VRHE偏压下获得了0.23mA/cm2的光电流密度。进一步通过水热沉积法将Co3O4纳米颗粒作为助催化剂修饰在Bi2WO6纳米片表面，在相同测试条件下，Bi2WO6的光电流值可提升至0.45mA/cm2，这是由于Co3O4助催化剂不仅促进了表面电荷分离，而且有效降低了水氧反应的过电势。基于以上结果，我们提出体相电荷传输和表面氧气析出的协同效应可显著提升光电催化性能，这是一种设计和构建高效光阳极的新型策略。 3. 调控Co(OH)x的氧化态和构筑Bi2WO6/TiO2异质结增强Bi2WO6的PEC性能研究 采用一步煅烧法在FTO基底上制备出高结晶化的Bi2WO6薄膜，在AM1.5G太阳光辐照、1.23VRHE偏压下表现出优异的光电流密度（0.24mA/cm2）。进一步采用浸渍法将超薄的Co(OH)x作为析氧助催化剂包覆在Bi2WO6表面，并通过改变浸渍时间可以有效调控Co2+和Co3+的比例。在最佳的氧化态比例（Co2+:Co3+约为65%）下，高结晶化的Bi2WO6光阳极表现出0.94mA/cm2的光电流密度，这是目前有关Bi2WO6报道的最高值。此外，通过H2O2氧化和NaBH4还原实验证实了增强的PEC性能是由于Co(OH)x助催化剂中氧化态比例变化所引起的。因此，我们提出助催化剂的氧化态调控是一种新型的光阳极设计路线。 此外，将高结晶化Bi2WO6与TiO2复合形成异质结光阳极，在AM1.5G太阳光辐射、1.23VRHE偏压下获得了0.42mA/cm2的光电流密度。相对Bi2WO6或TiO2而言，异质结光阳极的PEC性能得到了有效提升。 4. 氧空位快速活化Co3O4助催化剂实现TiO2有效的水分解研究 Co3O4是一种高效的析氧助催化剂,然而，其氧空位与光电转换效率之间的关系尚未报道。本章节中，首先，将Co3O4纳米颗粒装饰在TiO2纳米棒表面得到Co3O4/TiO2光阳极，其在AM1.5G太阳光辐射、1.23VRHE偏压下表现出1.2mA/cm2的光电流密度。其次，采用快速、高效的Ar-等离子体处理Co3O4/TiO2光阳极，选择性地在Co3O4表面构筑氧空位。Ar-等离子体处理后，光电流密度可达到2.5mA/cm2。经实验分析和理论计算可知，Co3O4助催化剂表面产生氧空位不仅加速了界面间空穴传输与分离，而且提供了大量的活性位点用于水氧化反应。值得注意的是，这种设计策略也可有效提升BiVO4和Fe2O3光阳极体系的PEC性能。故此，我们提出氧空位活化助催化剂是一种提高光阳极光转换效率的通用策略。 |
| Other Abstract | 无 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/26300 |
| 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 | 董国俊. 基于Bi2WO6/TiO2半导体光阳极的结构设计及光电催化性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2019. |
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| 201943董国俊.pdf（13717KB） | 学位论文 | 开放获取 | CC BY-NC-SA | View Application Full Text | ||
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