具有可见光响应的半导体光电阳极的设计

作     者：冯时佳 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曾亮;周三

授予年度：2019年

学科分类：081704[工学-应用化学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：光电化学电池 光解水 钒酸铋 电荷分离 光刻蚀 表面氧空位 

摘      要：能源短缺和温室效应已经成为全球关注的焦点性问题,而太阳能作为可替代的清洁能源在人类社会中扮演重要的角色。通过太阳能的转化,光电化学池可以实现水分解制备氢气和二氧化碳还原制备含碳燃料,有望为人类提供充足的清洁能源。值得注意的是,不论是水分解还是二氧化碳还原,阳极均为水氧化反应。因此,高效稳定的光电阳极的研究和开发,有利于促进光电化学池的发展。在众多光电阳极材料中,钒酸铋(BiVO)作为最具应用前景的半导体材料之一受到了广泛关注。BiVO拥有合适的禁带宽度,有利于实现太阳光的充分吸收和转化。而且,它具备恰当的能带位置,可以有效地促使BiVO光电阳极在较低的电位下驱动水氧化反应。然而,体相复合严重影响着BiVO的光电性能。作者研究和设计了一种高体相分离效率的BiVO光电阳极。基于金属有机物分解的理论,多步旋涂退火法被广泛应用于旋涂成膜中。多步退火是为了达到增加膜厚而提高薄膜吸光率的目的,但是同时带来的叠层效应严重阻碍了电荷的体相传输。这样的叠层效应主要包括两点:第一,多次的叠层焙烧容易导致原本的多孔结构被填充;第二,层与层之间存在严重的界面复合。对此,作者选用一步旋涂升温法代替多步旋涂退火法,避免了原本的叠层效应,从而降低了BiVO的体相复合,极大地提高了电荷分离效率。除此之外,作者发现了一种光刻蚀的方法,它可以在BiVO的表层引入氧空位而保持体相结构不变。这种方法可以避免不期望的缺陷位点在体相中产生,从而降低载流子体相复合的程度。同时,作者从实验和理论计算的角度地提出了氧空位提升电荷分离的作用机制。这样一种表面富含氧空位的电极在未掺杂的BiVO电极呈现出最高的光电流。通过FeOOH/NiOOH助剂的负载,作者得到了3.0 mA/cm的水氧化光电流。除此之外,该BiVO电极和硅阴极串联,实现了3.5%的太阳能到氢能的转化效率。