纳米钒酸铋基光阳极的可控制备及机制研究

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由于化石燃料的快速消耗以及日益严重的环境问题,寻求一种可替代的清洁能源迫在眉睫。绿色的氢能源被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源,氢的制取技术也成为全球关注的焦点。半导体光电催化分解水技术可以利用可再生的太阳能生产绿色氢能源,是一种极具潜力制氢技术。在光电催化分解水过程中,光阳极上发生的水氧化析氧半反应是整个反应的速控步骤,且可见光占太阳光谱中46%,因此研发高效的具有可见光响应的光阳极材料至关重要。钒酸铋(BiVO4)作为一种储量丰富,无毒无污染,理化性质稳定,具有可见光响应的光阳极材料得到了人们的关注。然而,到目前为止BiVO4的光电催化性能仍不令人满意,这主要归因于其光生电荷易复合及可见光利用范围依然有限。针对以上科学问题,本论文围绕改善BiVO4光阳极光电催化性能,开展了以下工作:(1)探究了In2O3复合对BiVO4光电催化性能的影响。首先采用溶剂热法原位制备纳米BiVO4光阳极,并探究了生长次数对其光电催化性能的影响,获得了高性能的BiVO4光阳极。在此基础上,通过水热法制备了纳米In2O3/BiVO4复合光阳极。相较于单独的BiVO4光阳极,该复合光阳极的光电催化性能得到了显著的提升,这主要归因于复合光阳极中In2O3与BiVO4间有效的II型电荷转移过程,促进了BiVO4光阳极的电荷转移与分离,改善了其光电催化性能。(2)探究了MPc修饰对BiVO4光阳极光电催化性能的影响。将ZnPc通过电化学组装的方式原位修饰在纳米BiVO4光阳极上,实验结果表明,ZnPc的引入有效改善了BiVO4光阳极的光电催化性能,这归因于ZnPc与BiVO4形成了Z型复合体,有效促进了BiVO4的光生电荷转移与分离,并且ZnPc对550-750 nm范围的光具有选择性吸收,大幅拓展了BiVO4光阳极的可见光响应范围,进而改善BiVO4光阳极的光电催化性能。此外,进一步在BiVO4光阳极上修饰了不同MPc,其光电催化性能均有较大提升,证明了该策略的普适性。该论文工作对设计和制备高效的BiVO4基光阳极具有重要的意义。
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