α-Fe2O3基纳米棒阵列光阳极的构筑及其水氧化性能研究.pdf

α-Fe O 基纳米棒阵列光阳极的构筑及其水氧化性能研究 2 3 中文摘要 随着化石能源的不断消耗以及温室气体的过度排放，光电分解水制氢技术近 年来引起了学术界的广泛关注，而寻求高效稳定的半导体阳极材料是提高产氢效 率的关键之一。α-Fe O 因其优良的光学吸收特性、丰富的地球储量和化学稳定 2 3 性，成为了光电分解水阳极材料的不二之选。但目前α-Fe O 基光电阳极所达到 2 3 的光电流密度和太阳能转换效率仍然远低于理论值，究其原因，主要是差的导电 性、低的空穴电子对分离效率和较低的价带能的固有缺陷造成的。为了缓解 α- Fe O 的上述缺点，我们采用杂原子掺杂结合进一步表面原位处理或负载析氧助 2 3 催化剂双重改性手段对α-Fe O 进行修饰，从在从体相到表面综合地提高了电荷 2 3 分离效率，并通过物理表征和光电化学分析揭示了光电水氧化活性提升的缘由， 具体内容如下： 1. 体相氟掺杂结合进一步表面氟化处理构建高效的 FeF /F-Fe O 目标光电 x 2 3 阳极及其水氧化性能研究 通过从体相到表面对α-Fe O 进行氟处理，构建了FeF /F-Fe O 纳米棒阵列 2 3 x 2 3 复合光阳极，促进了从体相到界面处的电荷分离。采用简单的水热法将氟离子引 入到 α-Fe O 晶格中，显著地提升了α-Fe O 的导电性和电荷分离效率。氟离子 2 3 2 3 作为施主掺杂剂不仅极大幅度地提高了电荷载流子浓度，同时移除了部分表面电 荷捕获态，提高了空穴注入效率。接着我们对氟掺杂的α-Fe O 进行原位表面氟 2 3 化处理，进一步抹除了部分表面电荷捕获态，同时表面富集的 F-Fe 键通过与水 分子之间形成氢键而有效地降低了水氧化的热力学能垒，从而显著地提高了界面 水氧化效率。在没有牺牲试剂的条件下，FeF /F-Fe O 的光电流密度在1.23 V vs. x 2 3 RHE 的电位下达到了2.41 mA cm-2 ，与未改性的α-Fe O （0.75 mA cm-2 ）相比提 2 3 高了2.2 倍。体相电荷分离效率和表面空穴注入效率分别达到了32.4%和80.3%， 与原始的α-Fe O (11.5%, 45.6%)相比得到了显著提升。 2 3 2. 氟掺杂的α-Fe O 纳米棒阵列表面共形包覆CoAl-LDH:体相与表面双重 2 3 改性综合提升α-Fe O 的光电水氧化活性 2 3 通过将无定型的钴基析氧助催化剂CoAl-LDH 共形包覆到氟掺杂的α-Fe O 2 3 纳米棒阵列电极表面，构建了高效的CoAl-LDH/F-Fe O 复合光阳极材料。该电