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构造BiVO光阳极异质结增强光电化学性能研究

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中文摘要

在众多新能源之中，氢能源具有能量密度高，清洁无污染等优点，因此受到人们广

泛关注。在众多制氢方法中，光电化学（PEC）水分解制氢法是一种潜在的方法，它可

以有效地利用间歇性的太阳能，并将其转化为极具发展潜力的氢能用于生产和生活中。

在PEC水分解过程中，光阳极表面发生析氧反应（OER），光阴极表面发生析氢反应

（HER）。OER涉及四电子转移，动力学较为缓慢，是制约PEC水分解反应性能的关

键反应。因此，近年来光阳极OER研究一直备受关注。在众多半导体材料中，由于单

斜BiVO4的带隙宽度~2.4eV，可以吸收太阳光谱中的可见光，因此是一种良好的光阳

极材料。然而，由于BiVO4中体相和表面存在光生电子与空穴的复合，这极大地限制了

载流子的传输效率，从而导致PEC性能不佳。构造异质结可以促进光生电子与空穴的

分离，再加以助催化剂作为“空穴收集器”，加快水氧化动力学，进而提升PEC水分

解过程效率。基于以上分析，本论文研究和设计了以BiVO4为基础的光阳极材料用于

PEC水分解。主要工作如下：

1.在本研究中，我们选用了窄带隙的p型CuCoO2与n型BiVO4构建p-n异质结，

在其内建电场的作用下，实现光生电子与空穴的有效分离。之后，在p-n异质结表面利

用电化学沉积法复合一层NiCo-LDH纳米片作为助催化剂，研究了助催化剂NiCo-LDH

的作用以及Ni/Co原子比对PEC性能影响。研究结果表明：相对于BiVO4和

BiVO/CuCoO，BiVO/CuCoO/NiCo-LDH的PEC性能显著提升。并且在Ni/Co原子比

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为1：3时，BiVO/CuCoO/NiCo-LDH催化剂表现出最佳性能。在1.8Vvs.RHE时，

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光电流密度可达到6.95mA/cm，约为BiVO（0.28mA/cm）的24.8倍和BiVO/CuCoO

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（1.27mA/cm）的5.5倍。

2.众所周知，CdS的带隙（~2.25eV）小于BiVO4的带隙（~2.4eV）。将二者进行

复合，可以进一步拓宽可见光吸收范围，产生更多的光生载流子用于PEC水分解。此

外，基于二者交错的能带结构排列，可以形成Ⅱ型异质结，进一步实现了光生电子与空

穴的有效分离。同时，为了避免CdS光腐蚀导致的光阳极不稳定，我们在BiVO/CdS

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异质结表面旋涂了一层CoS纳米球作为助催化剂，用以转移表面积累的空穴。通过电化

学性能测试研究了CoS助催化剂的作用，通过进一步改变CoS的旋涂浓度，获取CoS

最佳负载量。PEC性能测试结果表明：相对于BiVO和BiVO/CdS，BiVO/CdS/CoS的

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性能得到了提升。通过进一步改变CoS的旋涂浓度,得出了0.5MCoS为最佳负载量，

相应的复合光阳极具有最佳性能。在1.8Vvs.RHE时，三元复合光阳极BiVO/CdS/0.5