Cu2ZnSnS4(CZTS)納米復(fù)合材料的制備及其光電催化性能研究.pdf

1、當(dāng)前，化石能源的日益枯竭以及因其帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)重迫使人們開(kāi)始思考改變能量轉(zhuǎn)換方式，開(kāi)發(fā)綠色清潔能源技術(shù)。太陽(yáng)能因?yàn)槠洫?dú)有的特點(diǎn)而受到人們的關(guān)注，比如利用光電催化把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為可儲(chǔ)存的化學(xué)能。因此，利用光電催化分解水制取氫氣，并進(jìn)一步通過(guò)燃料電池將制取的氫氣轉(zhuǎn)換為電能，成為一條全新的能源清潔利用途徑。氫氣作為氫能領(lǐng)域的基礎(chǔ)，其生產(chǎn)與利用涉及的電解水與燃料電池研究自然成為了世人關(guān)注的焦點(diǎn)。而無(wú)論是制氫還是燃料電池電極反應(yīng)，其好壞都取

2、決于所采用的光電催化材料的性能。
　　Cu2ZnSnS4(CZTS)納米晶是一種新型光電催化材料，在光伏及產(chǎn)氫方面都有很好的催化性能，但是并沒(méi)有人研究過(guò)它的電催化氧還原性能，基于此，本論文從材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，我們以CZTS納米晶為基底合成了不同的CZTS基納米復(fù)合材料，并分別測(cè)試了材料的光電催化性能，主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)以CZTS納米晶為基底，采用離子交換法合成了不同組分比率的CZTS-Ag2S納米異質(zhì)結(jié)，對(duì)CZT

3、S與Ag2S界面處的晶體生長(zhǎng)作了研究?？疾炝似湓谀M太陽(yáng)光源的三電極體系中的光電催化活性。實(shí)驗(yàn)表明，在0.5Vvs.RHE時(shí)，CZTS-Ag2S的光電流可達(dá)0.58mA·cm-2，是純的CZTS光電流(0.06mA·cm-2)的將近10倍，極大的提高了CZTS的光電催化活性。我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)從能帶結(jié)構(gòu)對(duì)各物質(zhì)光電催化活性的差異做了解釋。CZTS-Ag2Sp-n異質(zhì)結(jié)構(gòu)在一定程度上抑制了光生電子-空穴的復(fù)合，提高了其分離效率，進(jìn)一步提升了其光

4、電催化活性。
　　(2)為了探究CZTS納米材料是否具有電催化氧還原活性，我們采用膠體法合成了Kesterite相（硫銅鋅錫礦晶型）以及Wurtzite相（纖鋅礦晶型）的CZTS納米晶，并將其負(fù)載于多孔碳上，制備了Kesterite相以及Wurtzite相CZTS/C復(fù)合材料，并測(cè)試了其在堿性電解液中的電催化氧還原性能。實(shí)驗(yàn)表明CZTS/C復(fù)合材料具有明顯的電催化氧還原性能，轉(zhuǎn)移電子數(shù)在3.60-4.15之間，而且Kesterit

5、e相CZTS/C復(fù)合材料的電催化性能略?xún)?yōu)于Wurtzite相CZTS/C復(fù)合材料，甚至具有比商業(yè)化Pt/C更好的穩(wěn)定性以及抗甲醇干擾能力。在恒電位持續(xù)工作了40000s的時(shí)間后，Kesterite相CZTS/C修飾電極的催化性能降到了90％左右，而Pt/C修飾電極的催化性能降到了72％左右;加入甲醇后，Kesterite相CZTS/C修飾電極的催化性能幾乎不受影響，而Pt/C修飾電極的催化性能降到了80％左右。通過(guò)實(shí)驗(yàn)以及第一性原理計(jì)算