构建p-n型异质结与调控形貌改善Co基半导体的光催化析氢性能的研究

• 作 者: 李玲娇
• 机 构: 北方民族大学
• 出 处: 北方民族大学
• 发表日期: 2021年01期
• 关键词: 光解水制氢

随着世界各国对于能源的需求日益增多，以及过量排放CO2引起全球温室效应的出现，世界各国的研究者们正在努力探索新的清洁可持续能源去代替化石能源等。例如：风能、潮汐能和氢能。氢能是一种具有高能量密度的清洁可持续能源，其能量密度高达140MJ/kg。近年来，许多研究者非常关注半导体光催化分解水制氢技术的研究。然而，大部分半导体自身存在一些缺陷，如：光生电子空穴对的复合率高和宽的带隙。于是，研究者探索了许多方法去改善这些问题：通过能带调控、催化剂负载和构建异质结等。这里主要研究了过渡金属元素Co存在的光催化体系的析氢活性。主要的研究内容如下：
　　(1)通过简单的水热法合成花球状的复合催化剂CoNi2S4/CdWO4，在合成的过程中加入TBA调节催化剂的形貌。经过BET测试表征后的结果可知，花球状的双金属硫化物CoNi2S4/CdWO4具有最大的比表面积。一般而言，大的比表面积可以提供更加多的析氢活性位点，从而进一步提高花球状催化剂CoNi2S4/CdWO4的光催化析氢活性。
　　(2)进一步探索双金属硫化物CuCo2S4的光催化析氢活性，将双金属硫化物CuCo2S4与单金属硫化物CoS2、Cu31S16分别进行了析氢测试，实验结果表明双金属硫化物CuCo2S4具有更加优异的光催化析氢活性。并且在电化学测试结果中可以观察到CuCo2S4可以更加有效的减少光生载流子的重组情况。因此，双金属硫化物的光催化析氢活性更加优异。
　　(3)将过渡金属硫化物CoS2与稀土钙钛矿FeLaO3复合以后形成p-n型异质结，经过XRD,SEM,TEM,XPS,UV-vis,PL和电化学一系列表征测试后发现形成p-n型异质结后的复合催化剂可以很大程度上减少光生电子与空穴对的重组，也更加有利于加速催化剂表面的电子转移速率，从而进一步促进了催化剂的光催化析氢活性。
　　(4)使用简单的水热法合成了过渡金属元素Co的氧化物(CoFe2O4)与NiMoO4的复合物，二者经过煅烧形成传统的p-n型异质结。经过析氢活性测试和实验表征结果可知，复合催化剂CoFe2O4/NiMoO4表现出优异的光催化析氢活性，并且内部的光生电子与空穴的分离情况被改善了。复合催化剂CoFe2O4/NiMoO4为光催化分解水析氢领域提供了更多的可能。
　　综上所述，所有的研究内容是通过研究过渡金属元素Co的双金属硫化物的形貌调控以及构建p-n型异质结去提高催化剂的光催化析氢活性。调控形貌以后复合催化剂具有更加大的比表面积，可以提供更多的析氢活性位点，进而提高光催化析氢活性。构建p-n型异质结可以改善催化剂的内部光生电子与空穴的重组情况，从而进一步减少催化剂内部光生电子的损失，加速催化剂表面电子的转移速率，更加有利于催化剂表面的质子还原反应，因此提高了复合催化剂的光催化析氢活性。这对于以后的光催化分解水析氢实验提供了一定的参考意义。
　　在本文的第六章对所有研究内容进行了总结以及存在的不足之处，总结了所研究的光催化析氢实验的创新点，为光催化析氢提出了新的见解。