Cu2ZnSnS4(CZTS)纳米复合材料的制备及其光电催化性能研究
当前，化石能源的日益枯竭以及因其带来的环境问题的日益严重迫使人们开始思考改变能量转换方式，开发绿色清洁能源技术。太阳能因为其独有的特点而受到人们的关注，比如利用光电催化把太阳能转化为可储存的化学能。因此，利用光电催化分解水制取氢气，并进一步通过燃料电池将制取的氢气转换为电能，成为一条全新的能源清洁利用途径。氢气作为氢能领域的基础，其生产与利用涉及的电解水与燃料电池研究自然成为了世人关注的焦点。而无论是制氢还是燃料电池电极反应，其好坏都取决于所采用的光电催化材料的性能。 Cu2ZnSnS4(CZTS)纳米晶是一种新型光电催化材料，在光伏及产氢方面都有很好的催化性能，但是并没有人研究过它的电催化氧还原性能，基于此，本论文从材料结构设计出发，我们以CZTS纳米晶为基底合成了不同的CZTS基纳米复合材料，并分别测试了材料的光电催化性能，主要研究内容如下: (1)以CZTS纳米晶为基底，采用离子交换法合成了不同组分比率的CZTS-Ag2S纳米异质结，对CZTS与Ag2S界面处的晶体生长作了研究。考察了其在模拟太阳光源的三电极体系中的光电催化活性。实验表明，在0.5Vvs.RHE时，CZTS-Ag2S的光电流可达0.58mA·cm-2，是纯的CZTS光电流(0.06mA·cm-2)的将近10倍，极大的提高了CZTS的光电催化活性。我们通过实验从能带结构对各物质光电催化活性的差异做了解释。CZTS-Ag2Sp-n异质结构在一定程度上抑制了光生电子-空穴的复合，提高了其分离效率，进一步提升了其光电催化活性。 (2)为了探究CZTS纳米材料是否具有电催化氧还原活性，我们采用胶体法合成了Kesterite相（硫铜锌锡矿晶型）以及Wurtzite相（纤锌矿晶型）的CZTS纳米晶，并将其负载于多孔碳上，制备了Kesterite相以及Wurtzite相CZTS/C复合材料，并测试了其在碱性电解液中的电催化氧还原性能。实验表明CZTS/C复合材料具有明显的电催化氧还原性能，转移电子数在3.60-4.15之间，而且Kesterite相CZTS/C复合材料的电催化性能略优于Wurtzite相CZTS/C复合材料，甚至具有比商业化Pt/C更好的稳定性以及抗甲醇干扰能力。在恒电位持续工作了40000s的时间后，Kesterite相CZTS/C修饰电极的催化性能降到了90％左右，而Pt/C修饰电极的催化性能降到了72％左右;加入甲醇后，Kesterite相CZTS/C修饰电极的催化性能几乎不受影响，而Pt/C修饰电极的催化性能降到了80％左右。通过实验以及第一性原理计算，我们探讨了CZTS电催化氧还原的机理，并解释了晶型结构对其催化性能的影响。
铜锌锡硫基纳米复合材料;纳米晶;异质结构;制备工艺;光电催化性能
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
刘清雅
2016
中文
TB383
72
2017-01-03（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）