【摘 要】
：
光电催化水分解产氢,将太阳能储存在氢气中,是解决全球化石能源短缺以及温室效应问题的理想途径之一。近年来,科研工作者在p-型半导体及产氢催化剂的研究方面取得了长足的进展,但目前已有的产氧光阳极和产氢光阴极普遍存在光-氧和光-氢转化效率低、稳定性差、以及光阳极和光阴极光电催化性能不匹配、工作介质不兼容等问题,限制了光电催化水分解技术的规模化应用。因此,仍亟需研发高效、稳定、廉价且性能匹配、工作介质兼容
论文部分内容阅读
光电催化水分解产氢,将太阳能储存在氢气中,是解决全球化石能源短缺以及温室效应问题的理想途径之一。近年来,科研工作者在p-型半导体及产氢催化剂的研究方面取得了长足的进展,但目前已有的产氧光阳极和产氢光阴极普遍存在光-氧和光-氢转化效率低、稳定性差、以及光阳极和光阴极光电催化性能不匹配、工作介质不兼容等问题,限制了光电催化水分解技术的规模化应用。因此,仍亟需研发高效、稳定、廉价且性能匹配、工作介质兼容的光阳极和光阴极。以此为背景,本论文采用多种界面工程策略修饰p-型单晶硅光阴极表面,尝试研发能够在强碱性溶液中高效、稳定地催化水还原产氢的光阴极,主要开展了以下三方面的研究工作:（1）采用多巴胺原位自聚-高温碳化的方法将氮掺杂的碳薄膜（CPDA）修饰在微米棱锥结构硅电极表面,通过原子层沉积（ALD）的方法包覆TiO2保护层,进一步利用电化学沉积的方法分别将Ni和NiMo催化剂负载到电极表面,制备了 Si/CPDA/TiO2/Ni和Si/CPDA/TiO2/NiMo光阴极。研究发现CPDA薄膜夹层既起到导电层的作用,有效降低电子的传输电阻,又可起到辅助保护层的作用。优化的Si/CPDA/TiO2/Ni光阴极在1 M KOH溶液中,模拟太阳光照射下的催化起始电位（Eon）和0 VRHE下的光电流密度（J（0V））分别为0.36 VRHE和-15.16mAcm-2;应用偏压下（0.14 VRHE）半电池的最大光-氢转化效率（HC-STHmax）为 1.21%,比 Si/TiO2/Ni 电极的 HC-STHmax（0.13%）提高了一个数量级,并且Si/CPDA/TiO2/Ni光阴极的稳定性得到了明显的改善。（2）为克服平面TiO2保护层的界面电子转移速率缓慢的问题,通过水热合成的方法在平面Si/CPDA/TiO2电极表面生长TiO2纳米柱阵列（TiO2（NR））,然后利用光辅助电沉积的方法将NiCoP催化剂修饰在TiO2纳米柱阵列电极表面,制备了Si/CPDA/TiO2（ALD/NR）/NiCoP光阴极。研究发现TiO2纳米阵列层不仅能够提高界面电子转移速率,而且对硅基光阴极具有辅助保护作用。TiO2纳米阵列表面负载的NiCoP催化剂能够明显降低光生电子的界面转移电阻,大大加速了电子在界面处的转移速率,从而使Eon 正移了 0.22 V,|J（0 V）|提高了 19.63 mA cm-2。优化后 Si/CPDA/TiO2（ALD/NR）/NiCoP 光阴极在强碱性溶液中,光照条件下的Eon、J（0V）和HC-STHmax分别为0.42VRHE、-20.13 mA cm-2 和 1.24%（0.12 VRHE）。（3）为提高保护层的界面电子转移速率,采用SrTiO3替代TiO2作为保护层。通过水热合成的方法将SrTiO3纳米颗粒修饰到微米棱锥结构的硅电极表面,然后利用电化学聚合法在Si/SrTiO3表面包覆了一层有机聚合物半导体CTF-BTh,构建了 Si/SrTiO3/CTF-BTh异质结构光阴极。研究发现SrTiO3层能够比常用的TiO2保护层更为有效地降低硅电极的界面电荷转移电阻,提高光生电子和空穴的分离效率。CTF-BTh层不仅可显著改善硅基光阴极在强碱性溶液中的稳定性,而且可明显提高其界面电荷转移速率,同时对表面电荷复合也具有一定的抑制作用。利用光辅助电化学沉积法将催化剂NiCuVOx负载在 Si/SrTiO3/CTF-BTh 表面,制备了 Si/SrTiO3/CTF-BTh/NiCuVOx复合光阴极。研究表明表面负载的NiCuVOx催化剂大幅提高了复合光阴极的电荷转移效率（达到89%）,从而显著提高了其光电催化性能。优化的Si/SrTiO3/CTF-BTh/NiCuVOx光阴极在强碱性溶液中,光照条件下的Eon、J（0V）和HC-STHmax分别为0.43 VRHE、-19.13 mAcm-2和1.07%（0.11 V）。但该电极长时间光电解时电流随电解时间明显衰减,主要是由于负载的NiCuVOx纳米颗粒从电极表面脱落所致。
其他文献
低温等离子体技术在空气污染物降解、能源转化等领域展示出重要的应用前景,受到了科研工作者们的广泛关注。开发可满足应用的稳定等离子体源,并对等离子体源的特性以及活性物种的产生、淬灭和时空分布进行诊断,进而研究活性物种与物质的相互作用机理,已成为等离子体应用领域中的热点问题。本论文以等离子体技术在VOCs降解、CO2/CH4转化中的应用为出发点,开展了等离子体源特性研究、等离子体应用中活性物种诊断以及等
三氟甲基是一种重要的含氟基团,广泛存在于医药、功能材料及农药分子中。因此,含三氟甲基化合物的合成受到越来越多的关注。其中,以三氟甲基烯烃类反应砌块为底物来合成结构新颖的三氟甲基化合物的方法具有适用范围广、反应条件温和、选择性好等特点。课题组在前期的工作中合成了（Z）-三氟甲磺酸三氟甲基烯基酯砌块并将其应用于多种含三氟甲基化合物的合成。本论文在上述研究基础上,首先将（Z）-三氟甲磺酸三氟甲基烯基酯砌
聚变能是人类文明永续发展的终极能源之一,而等离子体磁约束托卡马克则是最有可能实现可控核聚变的手段。在长脉冲及稳态托卡马克装置运行过程中,边界等离子体与面向等离子体材料（Plasma Facing Material,PFM）之间发生等离子体与壁材料的相互作用（Plasma Wall Interaction,PWI）,导致器壁侵蚀、燃料滞留、杂质生成等诸多问题,严重影响托卡马克装置的运行参数和运行安全
三角形曲面网格生成方法和四面体实体网格方法作为网格生成软件的核心模块之一,已经得到了广泛的研究,但是随着计算机辅助工程（Computer Aided Engineering,CAE）的发展,工业数值分析对于它们的要求也在逐步提高。一方面工业产品的计算机辅助设计（Computer Aided Design,CAD）几何模型越来越复杂,且具有很多几何缺陷,这给网格生成带来了挑战;另一方面为了满足数值分
碳达峰、碳中和是我国的重要战略目标,这关系到全球气候问题以及我国的能源安全、产业升级、国际竞争力等,具有极其重要的意义。CO2的捕集、利用和封存（CCUS）是实现CO2减排的有效手段。氨基功能化固体CO2吸附剂具有众多优点,在CO2捕集中具有巨大的潜力。但是其吸附、脱附速率限制了其性能的进一步提高。本论文从孔道结构、孔道内有机胺层的分布以及有机胺层的分子结构这三个方面,调控了吸附剂的结构,提高了吸
量子相干性是量子力学的一个基本特性,也是区分量子物理和经典物理的一个典型特征,它描述的是量子体系处于不同态叠加的性质。人们发现相干性在很多量子过程中都起着重要作用。比如,在一些量子热力学过程中,相干性对功的提取和热机的制冷效果有着显著的影响;某些多体量子体系的量子相变可以通过量子相干性度量来识别;尤其在量子信息处理过程中,相干性是量子并行计算的重要基础,此外,在量子通道识别以及参数估计等任务中,相
超冷分子的制备及其应用是当前原子与分子物理学领域的一个研究热点。光缔合作为制备超冷分子的有效方法受到了研究人员的广泛关注,碱金属原子的光缔合是光缔合研究工作中非常重要的一部分。本论文采用映射傅里叶网格方法和含时量子波包方法从理论上研究了利用整形脉冲控制超冷133Cs原子光缔合过程,研究了利用短脉冲和外磁场控制超冷39K和133Cs原子Feshbach共振优化光缔合过程。主要内容概括如下:（1）研究
边界等离子体是芯部等离子体和托卡马克装置壁面之间的过渡区,是形成并维持边界等离子体台基区结构、实现托卡马克高约束放电运行模式的关键。同时,边界等离子体直接轰击装置壁面会降低面向等离子体部件的性能并缩短其寿命,相互作用过程产生的杂质通过边界等离子体进入芯部,稀释芯部等离子体,增强能量辐射,最终降低装置约束性能,甚至会导致放电中止。因此,研究托卡马克边界等离子体特性以及其影响因素,对于实现聚变装置高参
研究核子内部的组成结构和部分子碎裂为单个或两个强子的强子化过程仍然是粒子物理具有挑战性的任务。研究这两部分物理的最典型过程是半单举深度非弹散射（SIDIS）过程,一般人们对SIDIS过程应用横向动量依赖的（TMD）因式分解框架,也就是将过程的微分截面分解为微扰计算的部分子截面和非微扰部分。其中非微扰部分包含描述核子结构的TMD分布函数和描述强子化过程的TMD碎裂函数。在实验上,可以通过测量SIDI
当代可持续能源正获得高速发展以有助于减少碳排放,并最终实现《巴黎气候协定》规定的全球温室气体排放目标。其中锂离子电池将发挥重要作用,使2050年之前实现零排放任务成为可能。但令人遗憾的是,现有的电极材料远不能满足新一代技术对电池功率、能量和稳定性的高要求。本论文工作旨在开发智能工程纳米材料作为锂离子电池和锂离子电容器的电极,其目的是为下一代电子器件能源供给提供核心支持。更具体地说,材料的选择基于过