Bi纳米粒子修饰WO3/ZnWO4光阳极及WO3/BiVO4/Cu2O双异质结光阳极光电化学性能研究
化石燃料作为当今世界仍然主要使用的能源，存在着储量有限、加剧全球温室效应、污染环境等问题，因此为了应对当今社会可用能源短缺，环境污染这些挑战，探寻新型清洁无污染的能源代替化石燃料是目前亟待解决的问题。地球接收到的来自太阳光照射的能量巨大(每天约为1.49×1022 J),因此太阳能是一种非常有潜力的化石燃料替代能源。受到天气、时间等的影响，直接利用太阳能较为不稳定,因此将太阳能转化为其他能量储存起来是当下研究的重点。受到自然界绿色植物光合作用的启发，许多研究者将目光放到了将太阳能转化为氢能——即利用合适的半导体作为工作电极来吸收太阳能用于水裂解来制备氢气的研究上。水裂解的反应中，整体的反应速率受限于阳极的析氧反应(OER),因此这一研究的重点在于制备高性能的光阳极。本篇论文研究了两种应用于光电化学水裂解的WO3光阳极的改性方法。 第一种改性方法是通过构建异质结和等离子体修饰完成的。采用简单有效的滴铸法和化学浸渍法，构建了 WO3-ZnWO4 Ⅱ型异质结,并进一步用Bi纳米粒子(BiNPs)对光阳极进行修饰，成功制备了新型三元光阳极。通过光电化学(PEC)测试发现，WO3/ZnWO4(2)/Bi NPs三元光阳极的光电流密度在1.23V(vs.RHE)下达到3.0mA·cm-2,是WO3光阳极的6倍。在380nm波长下，WO3/ZnWC4(2)/BiNPs光阳极的入射光子到电子转换效率(IPCE)达到68％,与WO3光阳极相比增加了 2.8倍。光阳极性能的提升可归因于Ⅱ型异质结的形成和Bi NPs的修饰，前者拓宽了光阳极材料对可见光的吸收范围并提高了载流子分离效率，而后者通过Bi NPs的局部表面等离子体共振(LSPR)效应和热电子的产生增强了光捕获和光吸收能力。 第二种改性方法是通过构建三元双异质结来完成的。采用简单的滴铸法和电沉积的方法制备了 WO3/BiVO4/Cu2O n-n-p三元异质结光阳极。WO3-BiVO4和BiVO4-Cu2O异质结都是能够极大地减少载流子复合的Ⅱ型异质结，构建异质结后，光阳极的光电流密度发生了变化:1.23 V(vs.RHE)处，光电流密度从WO3光阳极的0.50mA·cm-2 增大到 WO3/BiVC4 光阳极的 2.00 mA·cm-2,乃至 WO3/BiVO4/Cu2O光阳极的5.00mA·cm-2。与WO3光阳极相比，WC3/BiVO4/Cu2O光阳极的可见光吸收范围得到了拓展(UV-vis吸收曲线可验证);对入射光的利用效率提高(IPCE曲线可验证);载流子的转移阻力减小(EIS分析可验证)。双异质结的构建能够提升光阳极的PEC性能。 这项工作为WO3作为PEC水裂解光阳极的改性研究提供了方向。
光阳极;铋纳米粒子;制备工艺;光电化学性能
北京化工大学
硕士
材料与化工
白守礼;邱伟平
2023
中文
TB34
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）