高性能BiVO4基复合光阳极的制备及其光电催化水分解性能研究
随着能源短缺和环境污染的出现，光电化学(PEC)水分解被认为是以清洁，可持续的方式生产H2和O2的最有吸引力的技术。在各种金属半导体中，钒酸铋(BiVO4)因具有理想的带隙(～2.4eV)、长载流子寿命(～40ns)、合适的能带位置以及在水介质中稳定等优点而备受关注。然而，载流子迁移率低(～4×10-2cm2V-1s-1)、电荷分离和传输能力差、表面电荷重组严重以及表面水氧化动力学缓慢等缺点，极大地限制了BiVO4光阳极的光转换效率，从而导致其光电流密度远低于AM1.5G(100 mW cm-2)照射下的理论值(7.50 mA cm-2)。为了解决这些问题，本论文主要以BiVO4半导体作为基础材料，设计并制备了两种具有高性能、长效稳定性以及制备成本低的复合光阳极，并且将应用于PEC水分解制氢制氧中。这项工作指出了廉价的硼酸盐和助催化剂在光阳极上的有效利用，并提供了在PEC水分解中设计高活性光阳极的策略，具体研究内容如下: (1)通过两步简单的溶液浸渍法制备一种经硼酸盐和助催化剂共修饰的BiVO4基复合光阳极。结果发现，所制备的β-FeOOH-B-BiVO4光阳极显示出4.96mAcm-2的出色光电流密度(1.23 V vs.RHE)，比纯BiVO4光阳极(1.45 mA cm-2)的3倍多，也优于B-BiVO4光阳极(3.80 mA cm-2)。此外，β-FeOOH-B-BiVO4光阳极的施加偏置光子-电流效率和表面电荷转移效率分别确定为1.94％(～0.62Vvs.RHE)和90.2％(1.23 V vs.RHE)。相关表征及PEC性能结果表明，硼酸盐和β-FeOOH助催化剂的共修饰有利于抑制电荷复合、提高电荷传输能力、降低起始电位以及加快水氧化动力学反应，提高BiVO4光阳极的光转换效率。稳定性实验结果表明，通过调整电解质溶液组成，β-FeOOH-B-BiVO4光阳极在20h的连续实验中形貌和光电流密度均保持稳定。 (2)通过简单的pH调控溶液浸渍法在经硼酸盐处理的BiVO4光阳极表面负载FexCo1-xOOH助催化剂制备B-BiVO4/FexCo1-xOOH复合光阳极。结果发现，所优化的B-BiVO4/FexCo1-xOOH光阳极显示出比纯BiVO4(1.14mA cm-2)和B-BiVO4(3.26 mA cm-2)光阳极更出色的光电流密度，产生5.21mAcm-2的极高光电流密度并具有超过10h的出色光稳定性(1.23 V vs.RHE)，以及施加偏置光子-电流效率为2.05(～0.60Vvs.RHE)。此外，B-BiVO4/FexCo1-xOOH光阳极的表面电荷转移效率和入射光子电流效率分别确定为90.7％(1.23 V vs.RHE)和82.2％(420 nm)。相关表征及PEC性能结果表明，硼酸盐物种作为钝化剂可以抑制电荷复合并为空穴提供畅通的传输路径，以及FexCo1-xOOH助催化剂中Fe和Co物种的协同作用有助于显着改善氧析出反应活性和提高BiVO4光稳定性。
钒酸铋;光阳极;硼酸盐;助催化剂;光电催化;水分解
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
陶霞
2021
中文
TQ116.21
2021-09-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）