BiVO4复合半导体异质结光阳极提高光电化学水分解性能的研究

作     者：贾世宇 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：白守礼

授予年度：2024年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：BiVO4 ZnFe2O4 BiNPs LSPR MOF 水滑石 异质结 

摘      要：当今世界,化石能源仍为人们所使用的主要能源,但随着经济社会的发展,有限的储量并不能支撑长期的需求。此外,化石燃料在能量转化的过程中也会伴随环境污染、大量温室气体产生等问题,因此亟需开发一种成本可控的清洁能源代替化石燃料以解决这一实际问题。太阳能是一种可再生能源,利用太阳能作为潜在的替代能源取代化石燃料是目前研究的热点方向。然而太阳能由于受制于环境、储存方式等因素导致其在实际应用中直接利用并不稳定,将其转化为其他形式能源储存是一种可行且有效的方式。近些年来,光电化学（PEC）分解水得到了许多研究者的关注,其可以利用半导体材料作为电极将太阳能转化成氢能,在这一过程中光阳极上的析氧反应为决速步骤,如何制备高效的光阳极是目前的重点问题。本文主要围绕着BiVO4光阳极进行研究,通过设计II型异质结构并加以修饰提高BiVO4光阳极的光电化学性能,具体研究内容如下: （1）通过电沉积法在FTO导电玻璃上制备BiVO4光阳极,并通过连续离子吸附法引入ZnFe2O4构建II型异质结构,最后采用化学浸渍还原法引入铋纳米颗粒（Bi NPs）,通过对BiVO4/ZnFe2O4/Bi NPs三元光阳极进行了光电化学测试发现,三元光阳极在1.23 V ***下的光电流密度高达2.72 m A·cm-2,相较于单一的BiVO4光阳极提高了4.2倍,入射光子-电子转换效率（IPCE）和外加偏压光-电转化效率（ABPE）则分别在波长为420 nm处和0.88 V（***）时达到了38.6%和0.51%,比BiVO4光阳极提高了的2.7倍和5.1倍。三元光阳极光电化学性能的提升主要是因为异质结的构成拓宽可见光的吸收范围并实现电子-空穴对的有效分离,Bi NPs的引入不仅可以通过局部表面等离子体共振（LSPR）效应提高光阳极对光的捕获能力,还可以产生大量热电子注入到半导体中提高载流子的浓度。 （2）通过MOF衍生法在BiVO4光阳极上将ZIF-67转化为Co3O4制备了BiVO4/Co3O4异质结,并通过电沉积法引入Ni Co-LDH进行修饰,BiVO4与Co3O4构建的n-p异质结使得光生载流子实现了高效分离,并且Co3O4的引入作为空穴传输层增强了载流子的传输速度。Ni Co-LDH助催化剂作为空穴提取层可以及时提取并迅速消耗来自Co3O4的光生空穴,使水氧化动力学得到提高。测试结果表明,三元光阳极在1.23 V ***下的光电流密度可以提升至3.02m A·cm-2,IPCE最大值为53%,ABPE值在0.86 V ***处达到了0.61%。此外,三元光阳极在实现了优异的光电化学性能的同时,其稳定性也得到了大幅提高,可以有效抑制BiVO4光阳极的光腐蚀。