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功能化三氧化二铁纳米结构电极及其水分解行为研究

陈静  
【摘要】:为应对全球能源和环境危机,发展可再生清洁能源成为破解未来能源需求增长的关键。氢能是一种清洁能源,而基于半导体电极的水分解制氢技术则是有望实现的高效、低成本制氢的技术。近些年来纳米材料的发展非常迅速,应用的领域也很多。纳米材料由于其独特的尺寸有着其独特的性质。因此,对于半导体的材料,现在大多数的研究也是纳米级别的。研究报导与普通材料的催化剂相比,纳米催化剂有着惊人的催化性能,比如高的催化活性和选择性。同时影响纳米催化剂性能的因素也很多,如:尺寸的大小,纳米材料的形状,因而,在合成纳米材料时要全面的考虑这些影响因素。然而,现有半导体电极的光解水效率普遍低于5%,远低于10%的可实用标准,亟待探索新的效率提升模式和研究电极的限制因素。因此,对半导体电极进行修饰并实现高效水分解成为能源研究领域的重大课题。本论文全面的回顾了水分解的发展史,介绍了水分解的基本原理,分析了提高水分解性能的方法,总结了水分解的研究进展。在此基础上以制备半导体纳米结构电极为目标,探索通过对电极修饰来提高其在水分解方面的性能,更进一步的分析其内在机理,为水分解效率的提升提供有益的借鉴。本论文主要研究内容归纳如下:1.rGQDs自组装层钝化蠕虫状Fe_2O_3光阳极及其光电化学水分解行为研究首先采用水热法合成β-FeOOH纳米薄膜,经高温退火后得到蠕虫状α-Fe_2O_3;然后,通过溶液自组装法将GOQDs修饰到α-Fe_2O_3表面,经热还原形成r GQDs自组装层包覆的蠕虫状Fe_2O_3光阳极。对rGQDs自组装层进行优化后发现,GOQDs水溶液浓度为0.05 g/m L时得到的α-Fe_2O_3/rGQDs光阳极的光电化学水分解性能最优。相对于未修饰α-Fe_2O_3电极来说,在1.23 V(vs.RHE)处,钝化修饰的α-Fe_2O_3/rGQDs光阳极可以显著提高光电流密度约8倍。深入表征和分析表明,这主要得益于rGQDs可以有效钝化Fe_2O_3的表面,极大地减少了表面态密度,抑制了电极/电解液界面处的电荷复合。此外,该工作有力的证明溶液自组装方法也是一种有效的表面钝化技术。2.Fe_2O_3@Ni(OH)_2复合电极的电解水研究采用电沉积方法在Fe_2O_3电极表面生长Ni(OH)_2纳米片,制备了Fe_2O_3@Ni(OH)_2复合电极作为一种有效的析氧电极。电沉积使用的是三电极体系,该方法简单易行。在扫描电镜下可以清楚的看出三氧化二铁的表面均匀的生长了Ni(OH)_2纳米片。通过对电沉积时间的优化得出最优的电沉积时间为60s,并进一步研究了Fe_2O_3@Ni(OH)_2复合电极对水分解的电催化行为。结果表明Fe_2O_3@Ni(OH)_2电极的析氧催化性能比Fe_2O_3电极有明显的提高,在电流密度为10mA cm-2时,Fe_2O_3@Ni(OH)_2的电位比Fe_2O_3电极的电位要低210mV。进一步研究和分析证明Ni(OH)_2在Fe_2O_3表面上的修饰,产生了极其明显的协同电催化效应,降低了析氧的过电位,提高了反应速度。研究提出了协同电催化效应的机理。Ni(OH)_2在Fe_2O_3表面上的修饰,也增加了反应表面积。Fe_2O_3@Ni(OH)_2电极也有很好的稳定性。综上所述,本论文的工作主要揭示了对材料进行修饰,自组装以及与其他材料复合均可以很好的调节材料的化学成分以及物理结构,这些独特的性能可以明显地改善高效水分解动力学和热力学的限制。


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