光解水硅光陰極的納米催化劑及納米結(jié)構(gòu)修飾改性.pdf

1、將太陽能轉(zhuǎn)換成電能或化學(xué)能是解決能源問題的重要途徑之一，尋找合適的太陽能轉(zhuǎn)換材料并構(gòu)建高效的能量轉(zhuǎn)換體系是太陽能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的核心問題。硅(Si)作為一種常見的半導(dǎo)體材料，儲(chǔ)量豐富，成本低廉，具有其它材料不可比擬的競爭優(yōu)勢，同時(shí)硅擁有非常強(qiáng)的可見光吸收能力且具有優(yōu)異的電荷傳輸性質(zhì)，而且導(dǎo)帶位置要比H+/H2的氧化還原電位更負(fù)，這些特點(diǎn)使其成為一種較為理想的光電化學(xué)(PEC)光解水光陰極材料。然而遲緩的表面反應(yīng)速率、較高的反射率和載流子復(fù)合率

2、等缺點(diǎn)制約了硅作為PEC光電極材料的進(jìn)一步發(fā)展，因此對于硅光電極表面的改性顯得尤為重要。本文主要通過在硅光陰極表面修飾氮(N)摻雜的碳納米點(diǎn)(CNDs)催化劑以及蝕刻納米類金字塔結(jié)構(gòu)來提高硅光電極的性能。主要研究工作分為以下兩部分：
　?。?）CNDs穩(wěn)定、無毒、大批量生產(chǎn)價(jià)格較低，既可以作為電子的受體也可以作為電子的給體以及其他新穎的光物理性能近年來引起了科研工作者極大的興趣。在本論文中，我們首先利用通過電化學(xué)合成法制備的CND

3、s溶液在背面有np+結(jié)的n型Si(簡稱np+-Si)光陰極上沉積了CNDs。通過改變沉積CNDs的次數(shù)來優(yōu)化CNDs/np+-Si光陰極的PEC性能。然后使用射頻激發(fā)的容性耦合裝置對最優(yōu)性能的CNDs/np+-Si光陰極進(jìn)行N2等離子體處理，形成N摻雜CNDs，進(jìn)一步提高光陰極的PEC性能。同時(shí)研究了在N-CNDs/np+-Si上負(fù)載Pt催化的效果。我們通過透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X-光電子能譜和拉曼等一系列表征方法，系統(tǒng)研究N

4、-CNDs/np+-Si光陰極表面結(jié)構(gòu)和成分等，并解釋了光電化學(xué)性能增強(qiáng)的原因。相關(guān)工作已發(fā)表在Chemical Communications上。
　　（2）各種不同形貌的納米結(jié)構(gòu)材料，在增強(qiáng)光吸收和載流子遷移/收集方面展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢。但是傳統(tǒng)的硅納米線結(jié)構(gòu)沉積催化劑時(shí)，催化劑無法均勻分布在納米線表面，而只能沉積在納米線的頂端。針對這一缺點(diǎn)，我們通過金屬催化化學(xué)蝕刻(MCCE)法制備了硅納米多孔(Nanoporous-Si)以

5、及更加開放的納米類金字塔(Pyramid-Si)黑硅結(jié)構(gòu)，并通過引入制氫催化劑Pt對兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行改性。我們發(fā)現(xiàn)Nanoporous-Si結(jié)構(gòu)相比于納米Pyramid-Si結(jié)構(gòu)對改善Si光陰極的PEC性能更為明顯，但是在兩者表面分別沉積Pt納米顆粒之后，Pyramid-Si的光電化學(xué)性能比Nanoporous-Si更優(yōu)越。盡管光電極的開路電壓和短路電流相較于Normal-Si光陰極有著明顯的增加，但是電極的穩(wěn)定性并不是很好，因此論文提出構(gòu)