摘要
CO2的资源化利用逐渐成为近几年的研究热点，在众多转化CO2的策略中，光电催化CO2具有较大优势。半导体催化剂能够利用太阳能这一可再生能源，以CO2为原料，模拟自然界的光合作用，将CO2还原成CO和碳氢化合物等高利用价值的产物。这不仅可以消耗堆积的温室气体，缓解环境问题，还可以利用可再生能源，实现可持续发展。 本论文主要对人工光合作用还原CO2中高效的氮化镓（GaN）基半导体光阳极进行相关研究。半导体在光催化CO2过程中存在能带电势与CO2还原电势不匹配、光吸收范围窄、光生电子与空穴分离效率低以及需要引入牺牲材料等不足。针对以上问题，论文中以GaN为基础材料，向其中掺入Al或In元素并制备不同结构的电极，通过分析电学性能与还原性能等测试结果，研究了多种GaN基光电极对CO2还原性能的影响。同时，针对GaN基半导体在反应中易被腐蚀的现象，研究了在电极表面旋涂NiO助催化剂，对增强光电极的耐腐蚀性能及提高CO2还原效率的影响。具体内容如下： （1）本论文研究了光吸收范围对CO2还原性能的影响。向GaN中掺入In元素，将InGaN材料作为电极的光吸收层，不仅能够扩大电极对光的吸收范围，还增强了将CO2转化为CO的能力。又研究了光电催化反应中电子与空穴的分离效率对CO2还原性能的影响。研究发现，向GaN中掺入Al元素并制备的AlGaN/GaN电极虽然能够提升电子与空穴的分离效率，但AlGaN材料较宽的带隙直接造成了较低的光吸收率，为此在电极表面生长InGaN作为光吸收层，改进后的InGaN/AlGaN/GaN电极不仅能够增加CO2转化的电学性能，还可以提升产物中生成甲烷（CH4）的产率。 （2）研究了材料导带底部电势的大小对CO2还原性能的影响。采用不同In含量的InxGa1-xN/GaN电极作光阳极，通过对反应过程中的电学性能及还原性能的分析，得出In含量为0.9%的电极在其同系列的光电极中还原能力最佳。 （3）研究了助催化剂对CO2还原性能的影响。将NiO材料旋涂在GaN表面，分析了旋涂液浓度与旋涂次数对CO2转化性能的影响，通过对形貌、电学性能及还原性能的分析得出，NiO助催化剂能够提高还原CO2的能力，还保护了电极表面，但不同的旋涂液浓度和旋涂次数均会对CO2还原产生不同的影响，最终确定了在旋涂液浓度为1∶400和旋涂2次的条件下制备的电极还原性能更佳。
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