《新型Cu2ZnSnS4複合薄膜電極可見光催化還原CO2的研究》是依託上海交通大學，由張鵬擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：新型Cu2ZnSnS4複合薄膜電極可見光催化還原CO2的研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：張鵬
- 依託單位：上海交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
使用可見光還原CO2為化學燃料對緩解石化能源危機和世界溫室氣體排放引起的環境問題具有十分重要的意義，而光催化材料是實現這一目標的主要形式。與目前廣泛研究的其他光催化材料相比，窄帶隙的銅鋅錫硫半導體材料具有成本低廉、無毒環保和太陽光的吸收利用率高的特點，具有更加廣泛的開發套用前景。如何最佳化銅鋅錫硫薄膜的內部結構以提高光電子傳輸性能和表面光催化反應活性是實現高效光催化還原CO2的關鍵。本項目通過使用銅鋅錫硫納米顆粒作為薄膜塗料增加表面積，複合高導電性的碳納米管或石墨烯作為光電子的超快傳輸通道以及表面助催化劑修飾，構建新型的銅鋅錫硫薄膜電極。同時使用鹵素離子為犧牲劑改善正極氧化反應的效率，提高整體的光電轉化效率和氧化產物的經濟價值。研究薄膜電極複合結構對光吸收特性、光電催化性能以及穩定性的影響，最佳化電極的結構和組分。本項目對研究窄帶隙光催化劑套用於可見光高效還原CO2具有重要的科學價值。
結題摘要
為了提高光電催化薄膜電極的光電催化的性能，我們在光電極材料的製備以及結構設計等關鍵問題上展開研究工作，本項目著重進行了銅鋅錫硫納米材料以及薄膜電極的製備方法、複合結構薄膜電極的設計製備等方面的研究。項目在 Adv. Mater., ACS Appl. Mater. Interfaces, Nanotech., RSC Adv., J. Mater. Chem. A, Small等國內外重要學術刊物發表SCI 收錄論文18篇，申請中國發明專利 16項，授權 3項。培養畢業生在催化、光電催化、儲能器件領域有一定建樹的優秀博士研究生 2名，碩士生2名。項目開展的主要工作有： 1. 開發了若干種綠色合成CZTS納米晶體的新方法。CZTS的多元組成使其製備控制成為一個難點，常用的熱注法會引入大量長鏈有機溶劑以及表面活性劑，而低成本的溶液基化學方法製備是一個挑戰。因此，研究CZTS材料的化學製備及其光催化性能是實現該材料在太陽能-化學能轉化方面套用的關鍵。我們針對CZTS納米顆粒的合成開發了低污染低成本的溶劑熱、水熱、以及硬模板法等新合成方法。其中硬模板法合成更是是首次成功實現四元複合物的硬模板法合成。 2. 採用簡單易行且成本低廉的溶液基方法（旋塗法）直接在基底上沉積CZTS薄膜。旋塗法得到的CZTS薄膜表面平整、緻密、無裂紋，所具有的光催化性能比溶劑熱法製得的更好。為了克服CZTS材料的光腐蝕現象，本文用CdS和TiO2薄膜對甲醇基液相旋塗法製備的CZTS薄膜進行表面修飾，製備出具有CZTS/CdS/TiO2結構的光電極。該種光電極不但具有優異的光電化學性能，而且在長時間的光電化學分解水制氫反應中表現出非常好的穩定性。 3. 本項目對光電薄膜的材料、微結構、以及複合結構對光電催化性能的影響做了深入的研究。研究了包括CZTS、Fe2O3, Si, WO3等不同光電催化薄膜電極的微納結構與表面複合層以及金屬催化劑與光電催化性能之間的影響關係。我們設計製備了矽基光電薄膜電極，光電轉化效率達到16%的世界先進水平。
