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实现稳定光电化学水分解的自修复机制
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作者 冯超 李严波 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE CAS CSCD 2024年第5期158-170,共13页
随着全球经济的持续增长,人类社会对能源的需求也在不断攀升.然而,传统的化石燃料无法再生,并且由于其过度消耗而引发的环境问题日益凸显,这使得寻找清洁、可持续的能源替代品成为当务之急.其中,通过人工光合作用对太阳能进行转化和储... 随着全球经济的持续增长,人类社会对能源的需求也在不断攀升.然而,传统的化石燃料无法再生,并且由于其过度消耗而引发的环境问题日益凸显,这使得寻找清洁、可持续的能源替代品成为当务之急.其中,通过人工光合作用对太阳能进行转化和储存是一个理想的能源替代方案.光电化学(PEC)水分解技术可以将太阳能直接转化为氢能,并且在氢燃料的生产和燃烧过程中水是唯一的原料和产物,实现了“零碳”排放的紧密氢循环,整个过程被认为是绿色、可持续的.在过去几十年里,大量关于PEC水分解的研究被报道,尤其是在提高太阳能到氢气(STH)转换效率方面取得了较大的进展.然而,光电极在工况下的长期稳定性问题仍然是制约PEC水分解商业化的主要障碍.为了应对这一挑战,催化领域引入了自修复的概念,并将其扩展应用于提高光电极的稳定性,这为解决其稳定性问题提供了新的策略.因此,有必要对实现稳定PEC水分解的自修复机制进行综述.本文系统综述了不同半导体光吸收体、保护层和助催化剂在工况下的衰减机制.首先,重点探讨了窄带隙半导体材料,如硅基(n-Si或p-Si)或III-V族半导体(GaAs,InP等)在工况下的衰减机制.这些材料受到电解液化学腐蚀的影响,导致其理化性质不稳定.特别是在光照或外加偏压的作用下,腐蚀作用会进一步加剧,严重影响其性能.然后,分析了具有合适带隙的半导体材料的衰减机制.受热力学因素影响,非氧化物半导体,如金属硫化物/硒化物、氮化物、氧氮化物、磷化物等,容易被光生空穴氧化;而金属氧化物半导体,如Cu_(2)O,则容易被光生电子还原.此外,热力学上相对稳定的金属氧化物半导体,如BiVO_(4),受动力学因素影响易发生光腐蚀,导致光吸收物种的溶解和晶格结构的破坏.除了半导体材料本身,表面保护层受到寄生光吸收和针孔现象的限制 展开更多
关键词 自修复 电化学水分 稳定性 半导体吸收层 保护层 助催化剂
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Cu_(2)O/CeO_(2)异质结的制备与光电化学性能研究
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作者 胡栋 黄鹏达 +2 位作者 赵庆江 李天保 许并社 《功能材料》 CAS CSCD 北大核心 2023年第6期6111-6120,共10页
通过电化学法在铜片表面生长Cu(OH)_(2)纳米线阵列,在氮气氛围下将其进行退火处理得到Cu_(2)O纳米线阵列,然后采用电沉积法在电极上沉积Cu_(2)O阻挡层和CeO_(2),制备得到Cu_(2)O/CeO_(2)异质结光阴极材料。利于扫描电子显微镜(SEM)、X-... 通过电化学法在铜片表面生长Cu(OH)_(2)纳米线阵列,在氮气氛围下将其进行退火处理得到Cu_(2)O纳米线阵列,然后采用电沉积法在电极上沉积Cu_(2)O阻挡层和CeO_(2),制备得到Cu_(2)O/CeO_(2)异质结光阴极材料。利于扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)和X-射线光电子能谱(XPS)对材料的形貌和化学成分等进行表征,紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、线性扫描伏安法(LSV)和莫特肖特基曲线(M-S)等测试对其光电化学性能进行分析。实验数据结果表明,在0 V、RHE(可逆氢电极)下,Cu_(2)O/CeO_(2)光阴极的光电流密度达到-6.55 mA/cm^(2),相比仅Cu_(2)O的光电流密度(-3.67 mA/cm^(2))提升了1.78倍。随后,通过ALD(原子层沉积)制备TiO_(2)作为保护层,负载Pt作为析氢反应(HER)的助催化剂。最终Cu_(2)O/CeO_(2)/TiO_(2)/Pt光阴极的光电流密度达到-10.9 mA/cm^(2)(0 V vs.RHE),应用偏压光子-电流效率(ABPE)达2.02%。实验的研究成果对Cu_(2)O基光阴极材料在光电化学水分解领域的广泛应用具有重要意义。 展开更多
关键词 Cu_(2)O 阴极 电流密度 应用偏压子-电流效率 电化学水分
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NiFe layered double-hydroxide nanoparticles for efficiently enhancing performance of BiVO_4 photoanode in photoelectrochemical water splitting 被引量:3
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作者 Qizhao Wang Tengjiao Niu +2 位作者 Lei Wang Jingwei Huang Houde She 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2018年第4期613-618,共6页
A bismuth vanadate(BiVO4)photoanode with a cocatalyst consisting of NiFe layered double‐hydroxide(NiFe‐LDH)nanoparticles was fabricated for photoelectrochemical(PEC)water splitting.NiFe‐LDH nanoparticles,which can ... A bismuth vanadate(BiVO4)photoanode with a cocatalyst consisting of NiFe layered double‐hydroxide(NiFe‐LDH)nanoparticles was fabricated for photoelectrochemical(PEC)water splitting.NiFe‐LDH nanoparticles,which can improve light‐absorption capacities and facilitate efficient hole transfer to the surface,were deposited on the surface of the BiVO4 photoanode by a hydrothermal method.All the samples were characterized using X‐ray diffraction,scanning electron microscopy,and diffuse‐reflectance spectroscopy.Linear sweep voltammetry and current‐time plots were used to investigate the PEC activity.The photocurrent response of NiFe‐LDH/BiVO4 at 1.23 V vs the reversible hydrogen electrode was higher than those of Ni(OH)2/BiVO4,Fe(OH)2/BiVO4 and pure BiVO4 electrodes under visible‐light illumination.NiFe‐LDH/BiVO4 also gave a superior PEC hydrogen evolution performance.Furthermore,the stability of the NiFe‐LDH/BiVO4 photoanode was excellent compared with that of the bare BiVO4 photoanode,and offers a novel method for solar‐assisted water splitting. 展开更多
关键词 NiFe layered double‐hydroxide nanoparticles BiVO4 photoanode Photoelectrochemical water splitting Photoelectrocatalysis
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Enhanced photoelectrochemical water splitting using a cobalt-sulfide-decorated BiVO_(4) photoanode 被引量:2
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作者 Zhiming Zhou Jinjin Chen +2 位作者 Qinlong Wang Xingxing Jiang Yan Shen 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 2022年第2期433-441,共9页
Solar-driven water splitting is considered as a promising method to mitigate the energy crisis and various environmental issues.Bismuth vanadate(BiVO_(4))is photoanode material with tremendous potential for photoelect... Solar-driven water splitting is considered as a promising method to mitigate the energy crisis and various environmental issues.Bismuth vanadate(BiVO_(4))is photoanode material with tremendous potential for photoelectrochemical(PEC)water splitting.However,its PEC performance is severely hindered owing to poor surface charge transfer,surface recombination at the photoanode/electrolyte junction,and sluggish oxygen evolution reaction(OER)kinetics.In this regard,a novel solution was developed in this study to address these issues by decorating the surface of BiVO_(4)with cobalt sulfide,whose attractive features such as low cost,high conductivity,and rapid charge-transfer ability assisted in improving the PEC activity of the BiVO_(4)photoanode.The fabricated photoanode exhibited a significantly enhanced photocurrent density of 3.2 m A cm^(-2)under illumination at 1.23 V vs.a reversible hydrogen electrode,which is more than 2.5 times greater than that of pristine BiVO_(4).Moreover,the Co S/BiVO_(4)photoanode also exhibited considerable improvements in the charge injection yield(75.8%vs.36.7%for the bare BiVO_(4)film)and charge separation efficiency(79.8%vs.66.8%for the pristine BiVO_(4)film).These dramatic enhancements were primarily ascribed to rapid charge-transport kinetics and efficient reduction of the anodic overpotential for oxygen evolution enabled by the surface modification of BiVO_(4)by Co S.This study provides valuable suggestions for designing efficient photocatalysts via surface modification to improve the PEC performance. 展开更多
关键词 Photoelectrochemical water splitting Bismuth vanadate Cobalt sulfide Charge separation and transfer PHOTOANODE
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BiVO_(4)/CuBi_(2)O_(4)薄膜光电极的制备及光电性能 被引量:1
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作者 刘家琪 李天保 《高等学校化学学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2022年第4期42-48,共7页
通过金属有机物分解法(MOD)协同光电化学沉积法,将p型氧化物半导体CuBi_(2)O_(4)沉积在BiVO_(4)纳米薄膜上,形成包覆性异质结结构,制备了一种新型p-n异质结光阳极n-BiVO_(4)/p-CuBi_(2)O_(4),用于太阳能光电化学(Photoelectrochemical,P... 通过金属有机物分解法(MOD)协同光电化学沉积法,将p型氧化物半导体CuBi_(2)O_(4)沉积在BiVO_(4)纳米薄膜上,形成包覆性异质结结构,制备了一种新型p-n异质结光阳极n-BiVO_(4)/p-CuBi_(2)O_(4),用于太阳能光电化学(Photoelectrochemical,PEC)水分解.研究结果表明,在1.23 V(vs.RHE)电势下,BiVO_(4)/CuBi_(2)O_(4)异质结光阳极表现出优良的PEC水氧化性能,光电流密度达到2.8 mA/cm^(2),负载磷酸钴(Co-Pi)的BiVO_(4)/CuBi_(2)O_(4)/Co-Pi光电极,光电流密度达到4.45 mA/cm^(2),分别为BiVO_(4)电极光电流密度的3.1倍和4.9倍.X射线衍射(XRD)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、电化学阻抗谱(EIS)和能级结构图等结果也证实,BiVO_(4)/CuBi_(2)O_(4)和BiVO_(4)/CuBi_(2)O_(4)/Co-Pi复合电极材料在内建电场和能带弯曲作用下,光吸收特性增强,载流子界面转移电阻减小,具有良好的光电化学性能与稳定性. 展开更多
关键词 钒酸铋 p-n异质结 电阳极 内建电场 电化学水分
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铁基多相助催化剂光电化学水氧化研究进展 被引量:2
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作者 李艳 胡星盛 +3 位作者 黄静伟 王磊 佘厚德 王其召 《物理化学学报》 SCIE CAS CSCD 北大核心 2021年第8期25-36,共12页
化石燃料的使用已经引起了严重的环境问题,例如空气污染和温室效应。同时,化石燃料作为不可再生能源无法一直满足人们不断的能源需求。因此,开发清洁可再生能源非常重要。氢是一种清洁无污染的可再生能源,可以缓解整个社会的能源压力。... 化石燃料的使用已经引起了严重的环境问题,例如空气污染和温室效应。同时,化石燃料作为不可再生能源无法一直满足人们不断的能源需求。因此,开发清洁可再生能源非常重要。氢是一种清洁无污染的可再生能源,可以缓解整个社会的能源压力。地球在一秒钟内接收到的太阳光能为1.7×10^(14) J,远远超过了人类一年的总能源消耗。因此,将太阳能转化为有价值的氢能对于减少对化石燃料的依赖具有重要的意义。自1972年藤岛昭和本多健一首次报道TiO_(2)光催化剂以来,人们发现半导体可以通过电或光驱动水分解产生清洁无污染的氢气。通过这种方式产氢不仅可以替代化石燃料,还可以提供环保的可再生氢能源,受到了人们的广泛关注。光电化学(PEC)水分解可以利用太阳能生产清洁、可持续的氢能。由于光阳极上的析氧反应(OER)缓慢,因此总的能量转换效率仍然很低,限制了PEC水分解的实际应用。助催化剂对于改善光电化学水分解性能是必要的。贵金属氧化物已被证明是最有效的OER催化剂,因为它们在酸性和碱性条件下具有很高的OER活性。然而,这些贵金属氧化物成本高和储量低,极大地限制了它们的实际应用。因此,开发高活性和低成本的OER助催化剂非常重要。迄今为止,对第一周期过渡金属(例如,Fe,Co,Ni和Mn)助催化剂的合成研究比较集中。其中,铁在地球上含量丰富,并且毒性比其他过渡金属低,使其成为良好的助催化剂。另外,铁基化合物具有半导体/金属的特性和独特的电子结构,可以改善材料的电导率和对水的吸附性能。目前,各种具有高催化活性的铁基催化剂已经被设计来提高光电化学的水氧化效率。本文简要概述了羟基氧化铁,铁基层状双氢氧化物和铁基钙钛矿等的结构、合成和应用方面的最新研究进展,并讨论了这些助催化剂在光电化学水氧化的� 展开更多
关键词 电化学水分 析氧反应 羟基氧化铁 铁基层状双氢氧化物 铁基钙钛矿
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Multifarious function layers photoanode based on g-C_3N_4 for photoelectrochemical water splitting 被引量:1
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作者 Zhifeng Liu Xue Lu 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2018年第9期1527-1533,共7页
We report on a novel g-C3N4/TiO 2/Co-Pi photoanode combining a TiO2 protection layer, Co-Pi hole capture layer, and g-C3 N4 light-absorption layer layer for photoelectrochemical(PEC) water splitting to generate hydr... We report on a novel g-C3N4/TiO 2/Co-Pi photoanode combining a TiO2 protection layer, Co-Pi hole capture layer, and g-C3 N4 light-absorption layer layer for photoelectrochemical(PEC) water splitting to generate hydrogen for the first time. This new photoanode with three function layers exhibits enhanced PEC performance with a photocurrent density of 0.346 mA ·cm–2 at 1.1 V(vs. RHE),which is approximately 3.6 times that of pure g-C3N4 photoanode. The enhanced PEC performance of g-C3N4/TiO 2/Co-Pi photoanode benefits from the following:(1) excellent visible light absorption of g-C3N4;(2) stable protection of TiO2 to improve the durability of g-C3N4 film; and(3) photogenerated holes capture Co-Pi to separate photogenerated electron-hole pairs efficiently. This promising multifarious function layers structure provides a new perspective for PEC water splitting to generate hydrogen. 展开更多
关键词 g-C3N4TiO2 Co‐Pi Photoanode Photo electro chemical water splitting
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稳定高效α-Fe_2O_3光电化学水分解——合理的材料设计和载流子动力学 被引量:1
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作者 谢佳乐 杨萍萍 李长明 《材料导报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第7期1037-1056,共20页
氢能是非常清洁的能源。发展高效、清洁和低成本的产氢装置是利用氢能的首要关键技术问题。光电化学水分解是首选的制氢技术之一。它可实现室温下直接水分解和氢氧分离,并不完全受限于太阳光的周期性波动;其产氢装置可全部由无机材料制... 氢能是非常清洁的能源。发展高效、清洁和低成本的产氢装置是利用氢能的首要关键技术问题。光电化学水分解是首选的制氢技术之一。它可实现室温下直接水分解和氢氧分离,并不完全受限于太阳光的周期性波动;其产氢装置可全部由无机材料制成,有好的化学活性和使用寿命。但是,光电化学水分解技术的效率目前还无法满足实际应用的要求,特别是还不能实现长期稳定运行,存在一定的性能衰减。在各种光电极材料中,α-Fe_2O_3是非常重要且具有潜力的稳定高效的光阳极材料,已成为近年来研究的热点。α-Fe_2O_3又称赤铁矿,储量丰富,在光电化学水分解中具有良好的稳定性、低成本和良好的太阳光谱响应等优势,已成为最具应用前景的光电极材料。然而,α-Fe_2O_3固有的一些问题诸如电荷传输差、表面复合严重、电荷转移动力学缓慢等限制了其实际应用。近年来,研究者们已发展了多种多样的策略和途径,例如掺杂、纳米化、异质结和表面处理等来解决上述问题。多种金属和非金属元素如Ti、Sn、Si、S等掺杂的α-Fe_2O_3表明,异质原子的引入会降低电子的有效质量,进而提高导电性,还会影响α-Fe_2O_3的晶体扭曲和活性位点等性质。从零维、一维、二维、三维到层级结构的α-Fe_2O_3都已经成功合成;同时,纳米化也拓展到导电基底的规则阵列图案化,α-Fe_2O_3纳米化能够促进光生空穴产生和利用,已成为α-Fe_2O_3光电化学水分解性能提升的重要途径。研发的n-n型和p-n型α-Fe_2O_3异质结如α-Fe_2O_3/ZnFe2O4、p-Si/α-Fe_2O_3等已较大地提高了其光电催化水分解性能,其中异质结很大程度上促进了α-Fe_2O_3光吸收、光生电荷分离和电极过程动力学。α-Fe_2O_3表面处理如催化剂修饰、钝化层修饰、化学/电化学刻蚀、气氛处理等,则显著改善了α-Fe_2O_3电极的电荷转移、析氧动力学,并 展开更多
关键词 赤铁矿 电化学水分 材料设计 载流子动力学
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GaAs材料在光电化学电池中的稳定性
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作者 曹诗瑶 闫小琴 《材料导报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第5期5062-5066,5074,共6页
光电化学水分解制氢被誉为人工光合作用,其利用太阳能将水分解为氢气和氧气,是未来可持续能源体系潜在的重要能源转换手段。随着光电化学电池的发展,光电化学电池的转换效率得到了大幅提升,然而光电化学电池的使用寿命却与实际应用标准... 光电化学水分解制氢被誉为人工光合作用,其利用太阳能将水分解为氢气和氧气,是未来可持续能源体系潜在的重要能源转换手段。随着光电化学电池的发展,光电化学电池的转换效率得到了大幅提升,然而光电化学电池的使用寿命却与实际应用标准寿命(10年)相差甚远。光电化学电池材料体系中Ⅲ-Ⅴ族半导体GaAs由于其优异的光物理性能逐步受到科学家们的广泛关注。然而,GaAs在光电化学体系中存在严重的光腐蚀问题。如何在充分发挥GaAs本征优势的前提下提升其在电解液中的稳定性近年来已成为Ⅲ-Ⅴ族半导体研究的热点。研究表明,针对不同环境下GaAs电极的腐蚀机制设计不同保护层薄膜对GaAs进行防护,能有效地在保证转换效率的前提下延长GaAs电极的寿命。本文从GaAs材料在不同酸碱性电解液中的腐蚀机理出发,针对GaAs在不同溶液环境中的有效保护措施进行综述,着重阐述了现有手段对GaAs材料在溶液中稳定性提升的成果,同时展望了GaAs材料的未来发展趋势。 展开更多
关键词 GAAS 腐蚀 稳定性 保护层 电化学水分
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SnO2纳米线的制备及光电化学水分解性能研究
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作者 孟明 秦楠 +3 位作者 潘雯雅 江慧芳 黄明霞 王林娜 《周口师范学院学报》 CAS 2019年第5期42-44,共3页
根据气液固(VLS)生长机制,利用化学气相沉积设备,以锡粉为源,Ar和O2混合气体为载气,当生长温度达到800℃在硅衬底表面生长出长度达数十微米的SnO2纳米线.光电催化性能测试表明在热力学开启势处,光电流达到0.3mA/cm2,且具有较好的稳定性.
关键词 SnO2纳米线 化学气相沉积 电化学水分 氧气析出
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