功能化三氧化二鐵納米結構電極及其水分解行為研究.pdf

1、為應對全球能源和環(huán)境危機，發(fā)展可再生清潔能源成為破解未來能源需求增長的關鍵。氫能是一種清潔能源，而基于半導體電極的水分解制氫技術則是有望實現(xiàn)的高效、低成本制氫的技術。近些年來納米材料的發(fā)展非常迅速，應用的領域也很多。納米材料由于其獨特的尺寸有著其獨特的性質。因此，對于半導體的材料，現(xiàn)在大多數(shù)的研究也是納米級別的。研究報導與普通材料的催化劑相比，納米催化劑有著驚人的催化性能，比如高的催化活性和選擇性。同時影響納米催化劑性能的因素也很多，如

2、:尺寸的大小，納米材料的形狀，因而，在合成納米材料時要全面的考慮這些影響因素。然而，現(xiàn)有半導體電極的光解水效率普遍低于5％，遠低于10%的可實用標準，亟待探索新的效率提升模式和研究電極的限制因素。因此，對半導體電極進行修飾并實現(xiàn)高效水分解成為能源研究領域的重大課題。
　　本論文全面的回顧了水分解的發(fā)展史，介紹了水分解的基本原理，分析了提高水分解性能的方法，總結了水分解的研究進展。在此基礎上以制備半導體納米結構電極為目標，探索通過對

3、電極修飾來提高其在水分解方面的性能，更進一步的分析其內在機理，為水分解效率的提升提供有益的借鑒。本論文主要研究內容歸納如下：
　　1．rGQDs自組裝層鈍化蠕蟲狀Fe2O3光陽極及其光電化學水分解行為研究
　　首先采用水熱法合成β-FeOOH納米薄膜，經高溫退火后得到蠕蟲狀α-Fe2O3；然后，通過溶液自組裝法將GOQDs修飾到α-Fe2O3表面，經熱還原形成rGQDs自組裝層包覆的蠕蟲狀Fe2O3光陽極。對rGQDs自組裝

4、層進行優(yōu)化后發(fā)現(xiàn)，GOQDs水溶液濃度為0.05 g/mL時得到的α-Fe2O3/rGQDs光陽極的光電化學水分解性能最優(yōu)。相對于未修飾α-Fe2O3電極來說，在1.23 V(vs. RHE)處，鈍化修飾的α-Fe2O3/rGQDs光陽極可以顯著提高光電流密度約8倍。深入表征和分析表明，這主要得益于rGQDs可以有效鈍化Fe2O3的表面，極大地減少了表面態(tài)密度，抑制了電極/電解液界面處的電荷復合。此外，該工作有力的證明溶液自組裝方法也是

5、一種有效的表面鈍化技術。
　　2．Fe2O3@Ni(OH)2復合電極的電解水研究
　　采用電沉積方法在Fe2O3電極表面生長Ni(OH)2納米片，制備了Fe2O3@Ni(OH)2復合電極作為一種有效的析氧電極。電沉積使用的是三電極體系，該方法簡單易行。在掃描電鏡下可以清楚的看出三氧化二鐵的表面均勻的生長了Ni(OH)2納米片。通過對電沉積時間的優(yōu)化得出最優(yōu)的電沉積時間為60s，并進一步研究了Fe2O3@Ni(OH)2復合電極

6、對水分解的電催化行為。結果表明 Fe2O3@Ni(OH)2電極的析氧催化性能比Fe2O3電極有明顯的提高，在電流密度為10mA cm-2時，F(xiàn)e2O3@Ni(OH)2的電位比Fe2O3電極的電位要低210mV。進一步研究和分析證明Ni(OH)2在Fe2O3表面上的修飾，產生了極其明顯的協(xié)同電催化效應，降低了析氧的過電位，提高了反應速度。研究提出了協(xié)同電催化效應的機理。Ni(OH)2在Fe2O3表面上的修飾，也增加了反應表面積。Fe2O3