《光解水催化劑的受激結構調控的原位同步輻射研究》是依託中國科學技術大學，由何勁夫擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：光解水催化劑的受激結構調控的原位同步輻射研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：何勁夫
- 依託單位：中國科學技術大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
利用半導體材料光解水產氫以有效的轉換和存貯太陽能來實現太陽能的連續供應，是解決能源危機與環境問題的有效途徑之一，對我國未來經濟的可持續發展戰略具有重要的現實意義。目前，半導體光電極材料的產氧活性普遍較低，嚴重地影響了其對太陽能水分解的能量轉換效率。本項目擬提出一種電致誘導調控半導體材料離子結構分布的新製備方法，獲得表面原子和電子結構可控的Co3-xNixO4納米棒產氧催化劑，實現其催化產氧性能的大幅提高。同時，利用原位同步輻射XAFS技術以及常規UV-vis吸收譜、EPR、XPS等結構探測手段深入研究不同激發參數下Ni、Co離子的局域結構、化學環境和元素分布的變化以及相互之間的關聯，掌握電場誘導下結構和性能變化的規律；結合第一性原理計算獲得催化劑結構調整的模型及其對性能影響的根源，為進一步合成和調控高效穩定的光解水Co3O4基催化劑提供實驗基礎和理論依據。
結題摘要
依託國內同步輻射光源建立了電化學原位XAFS實驗方法。利用同步輻射XAFS技術，結合X射線衍射、高分辨電鏡和第一性原理理論計算等研究了鈷基和鐵基催化劑材料金屬離子結構、化學環境和元素分布，探索水在電極表面的分解反應微觀機理。利用電化學方法和同步輻射XAFS技術研究了NixCo3-xO4產氧催化劑在不同電場激發下原子和電子結構調整和性能變化規律。採用氨蒸發誘導生長法和水熱法等自生長方法製備了一維納米線結構的尖晶石型Co3O4陣列。在不同pH值電解液中測試催化性能發現，pH＜13時，催化電流密度急劇下降，並在0.8~1.2V電壓區間出現電流平台。Tafel結果顯示在低電流密度區Co3O4的反應機理一致，但在高電流密度時，反應的決速步由電荷轉移步驟變為傳質過程控制。表明Co3O4在近中性的環境下依然可以表現出好的催化性能。該工作為光化學電池在多種工作環境下維持分解水的高性能提供了定量支持。設計了一種N-S陰陽離子共摻雜的改性模式，能夠有效的傳輸可見光激發的光生空穴。電化學測試顯示共摻雜樣品的空穴傳輸電阻比單摻雜樣品要小了5倍。這使得N-S共摻雜光電極材料在450至550nm波段的內量子效率從5%提高到20%，整體可見光下的轉換效率提高了5倍。同步輻射結合第一性原理計算揭示，N-S共摻雜能夠劈裂價帶頂的能帶結構，從而大幅降低了空穴有效質量，提高了遷移率。研究工作為進一步調控和構建高效穩定的光解水過渡金屬基催化劑提供了實驗基礎和理論依據。
