本文主要研究内容
作者冉蕾（2019）在《复合半导体纳米异质结构的设计及其光电催化性能研究》一文中研究指出：在众多可再生能源中,太阳能由于其储量丰富、清洁、高效和环境友好的优势,被认为可以满足可持续清洁能源的迫切要求。尽管太阳能转换技术及器件的开发和应用取得了长足的进步和发展,但是现有技术还存在催化效率低,应用成本高等问题。比如金属氧化物带隙较宽,主要对紫外光有光响应,而紫外光能量在全系太阳光谱中占比不到5%,因此对太阳能的利用率过低;在半导体催化材料表面发生的光生电子-空穴的复合以及逆反应致使部分光生电荷的损失,而在材料体相内由于缺陷位点或导电性较差也会导致光生电子-空穴复合,激发的电子不能及时地转移到材料表面或者材料-电解质界面参加反应,导致大多数催化剂的量子效率不高;催化材料较差的载流子迁移率和较大的表面反应动力学障碍,导致材料的光能量转换效率无法达到理想水平;同时,目前的半导体催化材料的光化学稳定性也较低,在光照和电解质溶液中的腐蚀降低了催化效果。因此发展高效的半导体催化材料对于突破光（电）催化性能的瓶颈具有重要的意义。针对这一现状,本文通过构筑掺杂型半导体材料和能带结构高度匹配的异质分级结构,实现对太阳能的高效转换,探究纳米结构对光转换性能的影响,深入研究光（电）催化机理以及获得高效太阳能转换的关键科学问题。研究内容如下:（1）采用单分散的SiO2微球作为硬模板,通过改良的Stober法异质外延生长Ti掺杂SnO2纳米壳层得到SiO2/Ti-SnO2核壳结构,并通过刻蚀法去除模板,成功地制备出形貌和Ti掺杂浓度均可控的Ti掺杂SnO2空心球结构。Ti掺杂SnO2材料的尺寸为300 nm左右,Ti在材料中均匀分布,并部分取代了 SnO2晶格中Sn4+的位置,实现了 Ti对SnO2的均质掺杂;20%Ti掺杂SnO2表现出优异的光催化效果,因为SnO2晶格内的Sn4+被Ti4+替代后,产生具有光响应特性的掺杂能级,因此拓宽了光响应范围,增强光吸收性能,从而有效改善光催化活性。（2）采用单分散的Cu2O实心立方体作为硬模板,基于柯肯达尔效应的牺牲模板法和内向刻蚀法在室温下成功制备了形貌可控的双层异质Cu2-xSe/Cu7S4空心立方体。基于其组装的QDSSC的光电转换效率高达4.38%,远远大于基于Cu2S的QDSSC（3.43%）和Pt的QDSSC（1.54%）。光伏性能的提高来源于导电性更好的Cu2-xSe相和独特的双层空心结构,大的比表面积能提供更多的反应活性位点,加速电解质的扩散以及电子转移,提高对多硫氧化还原电对的电催化活性;双层结构具有更好的光反射性能,提高光利用率;优异的长效稳定性是来源于Cu2-xSe在多硫电解质中良好的稳定性,双层结构避免了 Cu7S4的腐蚀。（3）通过简单的四步法成功制备了有序排列的三元异质纳米棒阵列Cu7S4/TiO2/CoCr-LDH NAs,采用垂直排列的Cu（OH）2纳米棒作为硬模板。它表现出了优异的PEC分解水性能,光能量转换效率是TiO2NAs光阳极的2.1倍,在Na2SO4溶液中（pH=6.8）的电流密度达到2.04 mAcm-2（1.23 V vs RHE）。PEC性能提高源于能带结构匹配的分级异质结构的形成,它具有更大的活性比表面积、两种可参与水氧化反应的界面、拓宽的光响应范围、改善的光生载流子分离效率、提升的表面水氧化动力学以及独特的电子和气体传输通道。（4）以Cu2O纳米立方体为模板制备了N-GQDs修饰的CeO2/Cu7S4双层异质空心立方体。三元结构表现出优异的PEC性能,光能量转换效率是SS-CeO2-NBs光阳极的2.3倍,达到0.82%（0.8 V vs RHE）,在Na2SO4溶液中（pH=6.8）的电流密度达到2.75 mA.cm-2（1.23 V vs RHE）。PEC性能的提高源于两方面的协同效应,一是能带结构高度匹配的三元Ⅱ型异质结能拓宽光响应范围,加快光生载流子分离和转移、降低它们的复合几率并改善材料的表面水氧化动力学,二是独特的双层空心结构具有更大活性比表面积,能提供更多的活性位点用于氧化还原反应,同时还具有更高的光利用率以及更快的电子-空穴对和电解质的扩散过程。（5）在CeO2基础上逐步引入窄带隙Cu7S4和可见光响应的CoWO4，构筑了有序排列的Cu7S4/CeO2/CoWO4三元异质纳米管阵列。构建三元Ⅱ型异质分级结构后,基于TS-Cu7S4/CeO2/CoWO4-HNAs光阳极的PEC体系表现出优异的PEC性能和光化学稳定性。Cu7S4和CoWO4的共敏化能拓宽光响应范围;能带结构高度匹配的Ⅱ型异质结构能加快光生载流子分离和转移,降低光生载流子的复合几率;三层空心分级结构能提供更多的活性位点的同时,也避免了CU7S4的腐蚀。
Abstract
zai zhong duo ke zai sheng neng yuan zhong ,tai yang neng you yu ji chu liang feng fu 、qing jie 、gao xiao he huan jing you hao de you shi ,bei ren wei ke yi man zu ke chi xu qing jie neng yuan de pai qie yao qiu 。jin guan tai yang neng zhuai huan ji shu ji qi jian de kai fa he ying yong qu de le chang zu de jin bu he fa zhan ,dan shi xian you ji shu hai cun zai cui hua xiao lv di ,ying yong cheng ben gao deng wen ti 。bi ru jin shu yang hua wu dai xi jiao kuan ,zhu yao dui zi wai guang you guang xiang ying ,er zi wai guang neng liang zai quan ji tai yang guang pu zhong zhan bi bu dao 5%,yin ci dui tai yang neng de li yong lv guo di ;zai ban dao ti cui hua cai liao biao mian fa sheng de guang sheng dian zi -kong xue de fu ge yi ji ni fan ying zhi shi bu fen guang sheng dian he de sun shi ,er zai cai liao ti xiang nei you yu que xian wei dian huo dao dian xing jiao cha ye hui dao zhi guang sheng dian zi -kong xue fu ge ,ji fa de dian zi bu neng ji shi de zhuai yi dao cai liao biao mian huo zhe cai liao -dian jie zhi jie mian can jia fan ying ,dao zhi da duo shu cui hua ji de liang zi xiao lv bu gao ;cui hua cai liao jiao cha de zai liu zi qian yi lv he jiao da de biao mian fan ying dong li xue zhang ai ,dao zhi cai liao de guang neng liang zhuai huan xiao lv mo fa da dao li xiang shui ping ;tong shi ,mu qian de ban dao ti cui hua cai liao de guang hua xue wen ding xing ye jiao di ,zai guang zhao he dian jie zhi rong ye zhong de fu shi jiang di le cui hua xiao guo 。yin ci fa zhan gao xiao de ban dao ti cui hua cai liao dui yu tu po guang （dian ）cui hua xing neng de ping geng ju you chong yao de yi yi 。zhen dui zhe yi xian zhuang ,ben wen tong guo gou zhu can za xing ban dao ti cai liao he neng dai jie gou gao du pi pei de yi zhi fen ji jie gou ,shi xian dui tai yang neng de gao xiao zhuai huan ,tan jiu na mi jie gou dui guang zhuai huan xing neng de ying xiang ,shen ru yan jiu guang （dian ）cui hua ji li yi ji huo de gao xiao tai yang neng zhuai huan de guan jian ke xue wen ti 。yan jiu nei rong ru xia :（1）cai yong chan fen san de SiO2wei qiu zuo wei ying mo ban ,tong guo gai liang de Stoberfa yi zhi wai yan sheng chang Tican za SnO2na mi ke ceng de dao SiO2/Ti-SnO2he ke jie gou ,bing tong guo ke shi fa qu chu mo ban ,cheng gong de zhi bei chu xing mao he Tican za nong du jun ke kong de Tican za SnO2kong xin qiu jie gou 。Tican za SnO2cai liao de che cun wei 300 nmzuo you ,Tizai cai liao zhong jun yun fen bu ,bing bu fen qu dai le SnO2jing ge zhong Sn4+de wei zhi ,shi xian le Tidui SnO2de jun zhi can za ;20%Tican za SnO2biao xian chu you yi de guang cui hua xiao guo ,yin wei SnO2jing ge nei de Sn4+bei Ti4+ti dai hou ,chan sheng ju you guang xiang ying te xing de can za neng ji ,yin ci ta kuan le guang xiang ying fan wei ,zeng jiang guang xi shou xing neng ,cong er you xiao gai shan guang cui hua huo xing 。（2）cai yong chan fen san de Cu2Oshi xin li fang ti zuo wei ying mo ban ,ji yu ke ken da er xiao ying de xi sheng mo ban fa he nei xiang ke shi fa zai shi wen xia cheng gong zhi bei le xing mao ke kong de shuang ceng yi zhi Cu2-xSe/Cu7S4kong xin li fang ti 。ji yu ji zu zhuang de QDSSCde guang dian zhuai huan xiao lv gao da 4.38%,yuan yuan da yu ji yu Cu2Sde QDSSC（3.43%）he Ptde QDSSC（1.54%）。guang fu xing neng de di gao lai yuan yu dao dian xing geng hao de Cu2-xSexiang he du te de shuang ceng kong xin jie gou ,da de bi biao mian ji neng di gong geng duo de fan ying huo xing wei dian ,jia su dian jie zhi de kuo san yi ji dian zi zhuai yi ,di gao dui duo liu yang hua hai yuan dian dui de dian cui hua huo xing ;shuang ceng jie gou ju you geng hao de guang fan she xing neng ,di gao guang li yong lv ;you yi de chang xiao wen ding xing shi lai yuan yu Cu2-xSezai duo liu dian jie zhi zhong liang hao de wen ding xing ,shuang ceng jie gou bi mian le Cu7S4de fu shi 。（3）tong guo jian chan de si bu fa cheng gong zhi bei le you xu pai lie de san yuan yi zhi na mi bang zhen lie Cu7S4/TiO2/CoCr-LDH NAs,cai yong chui zhi pai lie de Cu（OH）2na mi bang zuo wei ying mo ban 。ta biao xian chu le you yi de PECfen jie shui xing neng ,guang neng liang zhuai huan xiao lv shi TiO2NAsguang yang ji de 2.1bei ,zai Na2SO4rong ye zhong （pH=6.8）de dian liu mi du da dao 2.04 mAcm-2（1.23 V vs RHE）。PECxing neng di gao yuan yu neng dai jie gou pi pei de fen ji yi zhi jie gou de xing cheng ,ta ju you geng da de huo xing bi biao mian ji 、liang chong ke can yu shui yang hua fan ying de jie mian 、ta kuan de guang xiang ying fan wei 、gai shan de guang sheng zai liu zi fen li xiao lv 、di sheng de biao mian shui yang hua dong li xue yi ji du te de dian zi he qi ti chuan shu tong dao 。（4）yi Cu2Ona mi li fang ti wei mo ban zhi bei le N-GQDsxiu shi de CeO2/Cu7S4shuang ceng yi zhi kong xin li fang ti 。san yuan jie gou biao xian chu you yi de PECxing neng ,guang neng liang zhuai huan xiao lv shi SS-CeO2-NBsguang yang ji de 2.3bei ,da dao 0.82%（0.8 V vs RHE）,zai Na2SO4rong ye zhong （pH=6.8）de dian liu mi du da dao 2.75 mA.cm-2（1.23 V vs RHE）。PECxing neng de di gao yuan yu liang fang mian de xie tong xiao ying ,yi shi neng dai jie gou gao du pi pei de san yuan Ⅱxing yi zhi jie neng ta kuan guang xiang ying fan wei ,jia kuai guang sheng zai liu zi fen li he zhuai yi 、jiang di ta men de fu ge ji lv bing gai shan cai liao de biao mian shui yang hua dong li xue ,er shi du te de shuang ceng kong xin jie gou ju you geng da huo xing bi biao mian ji ,neng di gong geng duo de huo xing wei dian yong yu yang hua hai yuan fan ying ,tong shi hai ju you geng gao de guang li yong lv yi ji geng kuai de dian zi -kong xue dui he dian jie zhi de kuo san guo cheng 。（5）zai CeO2ji chu shang zhu bu yin ru zhai dai xi Cu7S4he ke jian guang xiang ying de CoWO4，gou zhu le you xu pai lie de Cu7S4/CeO2/CoWO4san yuan yi zhi na mi guan zhen lie 。gou jian san yuan Ⅱxing yi zhi fen ji jie gou hou ,ji yu TS-Cu7S4/CeO2/CoWO4-HNAsguang yang ji de PECti ji biao xian chu you yi de PECxing neng he guang hua xue wen ding xing 。Cu7S4he CoWO4de gong min hua neng ta kuan guang xiang ying fan wei ;neng dai jie gou gao du pi pei de Ⅱxing yi zhi jie gou neng jia kuai guang sheng zai liu zi fen li he zhuai yi ,jiang di guang sheng zai liu zi de fu ge ji lv ;san ceng kong xin fen ji jie gou neng di gong geng duo de huo xing wei dian de tong shi ,ye bi mian le CU7S4de fu shi 。
论文参考文献
论文详细介绍
论文作者分别是来自山东大学的冉蕾，发表于刊物山东大学2019-07-16论文，是一篇关于金属掺杂论文,能带结构论文,异质节论文,分级结构论文,太阳能转换论文,山东大学2019-07-16论文的文章。本文可供学术参考使用，各位学者可以免费参考阅读下载，文章观点不代表本站观点，资料来自山东大学2019-07-16论文网站，若本站收录的文献无意侵犯了您的著作版权，请联系我们删除。
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