钒酸铋光阳极表面结构调制及光电化学活性研究.pdfVIP

摘要

太阳能被认为是避免温室效应和满足未来能源需求的理想能源。光电化学（PEC）

水分解是可再生能源转化和储存的一个有吸引力的过程，因为光电化学分解水系统可以

利用太阳光直接将水转化为绿色无污染的清洁能源-氢能。由于快速载流子重组和缓慢

地水氧化动力学，自20世纪70年代以来发现PEC制氢的主要挑战是设计高效的光阳

BiVO

极。在各种材料中，金属氧化物因其普遍稳定、成本低廉而受到广泛关注。钒酸铋（4）

因原料丰富、无毒无害、形貌可控，带边位置好、起始电位低、水稳定性好、具有用于

分解水较为合适的禁带宽度等特点，因此BiVO被认为是目前有前途的金属氧化物光电

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电极之一。即使BiVO材料是一种较为理想的光阳极吸光剂。但是由于其光生电子空穴

4

对的分离和运输能力较差、重组速度快并且空穴扩散长度短，使得BiVO4在PEC水分

解领域的发展和应用受到了较为严重的限制。为了改善这些问题，我们通过对BiVO4

表面结构进行调制从而提高其PEC性能。具体研究内容如下：

（1）通过在BiVO的表面引入微量的β-BiO的方法来设计制备和优化其性能，并

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研究了其PEC性能提升的机制。在本章的工作中，我们使用不同的草酸浓度处理BiVO4，

在BiVO样品表面形成含有不同修饰量β-BiO的光阳极，并对这一系列的光阳极进行

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了研究。从相关的表征测试和PEC性能测试的结果可以得出优化后的光阳极结合了

β-BiO和BiVO材料的优势并且获得了优异的光电流密度和产氢量。这主要归因于耗

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尽区宽度和能带弯曲的改善，提高了光生电子空穴对的分离效率，抑制了光生载流子的

复合以及加快了水氧化动力学的反应，从而获得了较为优异的光电化学转换效率，与原

始BiVO光阳极相比。这项工作还阐明了只需要微量的第二相就可以通过构建异质结来

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提高其光电化学活性。

（2）采用金属有机分解法在SnO（FTO）基底上生长BiVO薄膜。使用简单的表

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面盐酸处理方法合成了BiVO/BiOCl异质结，将BiOCl纳米片固定在BiVO表面。以

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BiOClRhBRhBBiOClBiVO

为桥梁，以为染料敏化剂，利用对的高效光敏作用，以及4

的可见光响应特性，对BiVO进行了改性，提高了BiVO的光电化学性能。从电化学测

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试结果和光致发光谱分析后可以得出BiVO与BiOCl之间具有良好的能带结构，有利于

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加速激发态分离并抑制其向RhB*的反馈。并且讨论了RhB染料敏化BiVO/BiOCl的可

4

I

能机理。

关键词：制氢，光电化学，钒酸铋光阳极，染料敏化，能带弯曲

II

ABSTRACT

Solarenergyisrega