《人工仿生制氫中敏化鈦基電極的界面行為和建模調控》是依託北京工業大學，由桑麗霞擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：人工仿生制氫中敏化鈦基電極的界面行為和建模調控
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：桑麗霞
- 依託單位：北京工業大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
人工光合作用是人類自主實現太陽能轉換和利用並具有重要意義的環境友好能源技術。為了發展基於無機半導體材料的人工光合作用體系，本項目以仿生光電化學制氫系統中鈦基光電極為研究對象，著重研究：（1）基於材料創新，在TiO2納米管陣列及納米晶孔膜上組裝染料、量子點或染料/量子點耦合敏化劑以構建新型敏化鈦基光-氫電極，使TiO2膜/敏化劑/電解液的複雜電極界面上達到太陽能全譜吸收與有效電荷分離的協調統一；（2）基於方法創新，將實驗研究和建模計算相結合，不僅基於時間分辨光譜分析所組裝的光-氫電極界面的電子注入、電子弛豫、電荷遷移、電荷增值及界面能損等界面行為，而且從納米、中孔及多尺度數值模擬分析電極界面的能量傳遞過程，以期基於化學材料科學和工程熱物理基本原理髮展在電極界面上光子、電子、聲子和流體粒子進行能量存儲、輸運和轉換的理想模型和可控規律，從而為提高人工仿生制氫體系能量轉換效率提供新的途徑和理論。
結題摘要
通過人工光合作用進行太陽能轉換利用和氫能清潔製備是能源可持續發展的重要途徑。為了發展基於無機半導體材料的人工光合作用體系，本項目主要研究仿生光電分解水制氫系統中的敏化鈦基電極的設計和製備、電極/敏化劑/電解液界面行為和界面能量模型以及敏化鈦基電極的仿生制氫效率。研究結果包括（1）基於碳點和Cu基材料的環境友好性和優良的光電轉化性質，以染料Eosin Y（EY）和量子點（C dots）/納米材料（Cu-CuO）進行耦合構建得到具有太陽光寬譜吸收特性的新型敏化鈦基電極C dots/EY/TiO2 NTs和EY/Cu-CuO/TiO2 NTs，其光電性能均優於單一敏化的TiO2納米管陣列（TiO2 NTs）電極，在C dots和Cu-CuO增強鈦基材料對EY吸附的同時可增加電子擴散係數、延長光生載流子壽命和減少電子傳輸時間。（2）基於EY、C dots、Cu-CuO和TiO2的能級，建立了C dots/EY/TiO2 NTs和EY/Cu-CuO/TiO2 NTs電極的界面能量模型，與界面行為、光電性能和制氫效率相結合，揭示了先EY後C dots的敏化順序與高效電子傳輸性能的關聯以及Eosin Y對Cu-CuO/TiO2 NTs 電荷傳輸的最佳化作用。（3）相對刮塗法製備的TiO2納米粒子膜電極基體，陽極氧化法製得的TiO2 NTs基體可沉積更多的C dots而具有更好的光敏性和光電性質；通過兩步陽極氧化法最佳化TiO2 NTs製得的TiO2 環管分層結構（TiO2 R/T）可增加對EY的吸附，而TiO2 R/T的可見光活性取決於材料缺陷和摻雜引起的可見光吸收而非具有光子晶體特點的振盪峰；通過飛秒雷射物理沉積法，在較高室壓1mbar下沉積3h得到的金紅石型TiO2粒子膜（314nm膜厚）具有更為分散的不同粒徑納米粒子堆積形態而具有較優的界面電荷傳遞行為，使得其具有混晶型TiO2NTs電極（650nm膜厚）相近的光電流密度。（4）套用經典分子動力學，對TiO2-水界面和TiO2-KOH水溶液界面進行分子動力學模擬計算，獲得了動力學界面結構和水/K+的擴散係數以及亥姆霍茲層的寬度和勢降，通過建立TiO2與水溶液界面能量模型對界面亥姆霍茲層和耗盡層進行了關聯，計算得到與電荷擴散和分離相關的耗盡層寬度，從微觀角度闡明和理解了電極-電解液的相互作用和界面性質。
