论文部分内容阅读
在开发可持续的，生态上无害的制氢技术的过程中，太阳能驱动的光电化学(PEC)水分解技术受到了广泛的关注。光电极材料的活性，稳定性和可用性是限制光电化学系统实际应用的关键问题。迄今为止，已经将诸如TiO2，BiVO4，Fe2O3和WO3等各种n型半导体用作光阳极，并且进行了深入研究。然而，开发有效且稳定的光电阴极仍面临挑战。
氧化亚铜(Cu2O)的禁带宽度约为2.0eV，理论光电流估计为-14.7mA/cm2。将其用作光电阴极的主要限制问题之一是电子-空穴严重的复合。Cu2O的电子扩散长度大约是20-100nm，它与光吸收深度非常不匹配，光吸收深度至少要吸收1μm才能吸收大部分阳光。另外，其在水溶液中不稳定。Cu+的氧化还原电位位于Cu2O的带隙内，光生电子和电解质中的空穴可以将Cu2O还原为铜或氧化为CuO。我们已经进行了许多尝试来改善Cu2O的光电化学性能，其中包括(i)形态调控，(ii)构建异质结，(iii)元素掺杂，(iv)用保护层进行表面改性。
本论文的第一部分内容，首先通过一种简便的浸渍法实现了梯度硅掺杂和保护层的沉积。光电流密度大大增加，是空白Cu2O的3.1倍；稳定性显著提高，是空白Cu2O的3.8倍，这证明了光电化学性能得到了极大的提高。通过结构分析和光电化学(PEC)表征结果证明，材料内部形成了从体相到表面区域向下的能带弯曲，大大促进了电荷的分离和转移，并通过稳态和瞬态光致发光光谱测试以及电化学阻抗测试对上述观点进行了验证。此外，非晶SiOx层用作保护层能够防止Cu2O与电解液直接接触，从而阻碍了自还原和氧化，在稳定性测试期间保持了较高的光电流密度。
本论文的第二部分内容，采用简单的一步旋涂法在氧化亚铜表面形成了一种致密且均匀的疏水有机膜。通过对旋涂量的考察，优化出了具有最佳光电化学性能的薄膜材料用量。当旋涂量为200μL时，最终的光电流密度达到1.74mA/cm2，是空白的1.93倍，且维持最佳稳定性电流1.7mA/cm2长达1200s，是空白的2.4倍，并且光电化学转化效率(IPCE)在532nm处达到38%。本次通过修饰聚酰亚胺对氧化亚铜的表面进行改性，使得材料表面形成均匀光滑且致密的保护膜，阻止了其与电解质的接触，通过X射线衍射证明了聚酰亚胺的存在有效的抑制了氧化亚铜的自氧化。稳态荧光测试表明形成的膜有效地抑制了表面电荷的复合，降低了电子与空穴复合的可能性，对于光电化学的性能提升有很大的帮助。
氧化亚铜(Cu2O)的禁带宽度约为2.0eV，理论光电流估计为-14.7mA/cm2。将其用作光电阴极的主要限制问题之一是电子-空穴严重的复合。Cu2O的电子扩散长度大约是20-100nm，它与光吸收深度非常不匹配，光吸收深度至少要吸收1μm才能吸收大部分阳光。另外，其在水溶液中不稳定。Cu+的氧化还原电位位于Cu2O的带隙内，光生电子和电解质中的空穴可以将Cu2O还原为铜或氧化为CuO。我们已经进行了许多尝试来改善Cu2O的光电化学性能，其中包括(i)形态调控，(ii)构建异质结，(iii)元素掺杂，(iv)用保护层进行表面改性。
本论文的第一部分内容，首先通过一种简便的浸渍法实现了梯度硅掺杂和保护层的沉积。光电流密度大大增加，是空白Cu2O的3.1倍；稳定性显著提高，是空白Cu2O的3.8倍，这证明了光电化学性能得到了极大的提高。通过结构分析和光电化学(PEC)表征结果证明，材料内部形成了从体相到表面区域向下的能带弯曲，大大促进了电荷的分离和转移，并通过稳态和瞬态光致发光光谱测试以及电化学阻抗测试对上述观点进行了验证。此外，非晶SiOx层用作保护层能够防止Cu2O与电解液直接接触，从而阻碍了自还原和氧化，在稳定性测试期间保持了较高的光电流密度。
本论文的第二部分内容，采用简单的一步旋涂法在氧化亚铜表面形成了一种致密且均匀的疏水有机膜。通过对旋涂量的考察，优化出了具有最佳光电化学性能的薄膜材料用量。当旋涂量为200μL时，最终的光电流密度达到1.74mA/cm2，是空白的1.93倍，且维持最佳稳定性电流1.7mA/cm2长达1200s，是空白的2.4倍，并且光电化学转化效率(IPCE)在532nm处达到38%。本次通过修饰聚酰亚胺对氧化亚铜的表面进行改性，使得材料表面形成均匀光滑且致密的保护膜，阻止了其与电解质的接触，通过X射线衍射证明了聚酰亚胺的存在有效的抑制了氧化亚铜的自氧化。稳态荧光测试表明形成的膜有效地抑制了表面电荷的复合，降低了电子与空穴复合的可能性，对于光电化学的性能提升有很大的帮助。