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氧空位对钒酸铋全解水活性的研究

马小雪  
【摘要】:随着现代科技进步和工业迅猛发展,人们正面临着两大全球性问题:能源危机和环境污染。绿色经济发展将是人类发展的大趋势,从而实现用清洁能源代替化石能源在生产生活中占据主导地位的目标。以氢能为突出代表的清洁能源是目前研究的主要方向,利用可再生能源太阳能制氢是理想的解决方案之一。尤其通过半导体材料光电催化全解水制氢,反应物简单,产物易收集,具有美好的前景。然而高效的反应对半导体催化剂有着高要求严标准,不仅要有合适的带隙和带边位置,还要有优异的载流子迁移率等等。合适的半导体催化材料是高催化活性的关键,近年来钒酸铋(BiVO4)受到广泛瞩目,一方面由于其具有2.4 eV的带隙宽度,可以实现有效的可见光响应;另一方面体现在材料的强氧化性,有益于多电子转移的复杂氧化反应。此外BiVO4是多面体材料,不同晶面体现出各向异性。低指数晶面,如[110]面,其稳定性高,由于空穴的选择性集聚是氧化反应发生面,产氧性能好;高指数晶面如[121]面在水分子吸附和解离方面更有优势。但其不能大规模生产应用也是因为存在载流子迁移率低,导带边缘(CBM)没有能够跨越产氢的还原电位等问题。本文主要采用氧空位调节BiVO4性能,以实现其全解水,以下为工作的预想和具体内容的实施:1.基于密度泛函理论计算,利用氧空位调节BiVO4[110]面的电子性质,实现光催化产氢。由于BiVO4[110]面还原电位没达到产氢要求,限制了全解水反应的进行。构建氧空位后,由于氧空位带来的不饱和配位能够诱导内电场,用以调节能带结构和相应带边位置。此外内电场能够激发局域电子态,增加了光致电子迁移概率从而提高载流子迁移率,能够有效提高光催化活性。2.利用氧空位以实现BiVO4[110]面光电催化全解水。通过氧空位的调节,我们从理论上提出了一种以BiVO4为电极的简易双功能催化剂。氧空位的引入致使不饱和配位体系下的电荷重排,减小了析氢反应(H ER)相应的氢吸附自由能和析氧反应(0 E R)所需过电位。同时增强了电荷的转移和氧化能力,提高其全解水效率,从而验证了氧空位构建的可行性及BiVO4应用的美好前景。3.氧空位使得BiVO4水氧化反应(WOR)性能显著提升。BiVO4实际应用时由于表面催化反应迟钝,影响使用效率。氧空位能够改善表面催化活性,增强其与光催化的协同效应。在高指数晶面[121]面构建了表面氧空位进行计算,结果显示氧空位使得BiV04[121]面表面活化,活性位点增加,有益于表面在水环境下的反应,同时降低了 OER过电位,与实验相结合,意味着高能面的暴露在基础和实际应用的研究中具有重要地位。


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