摘要
光电化学（Photoelectrochemistry）技术是一种通过半导体将太阳能转化为可储存和运输的化学能的方法，能很好的克服太阳能的间歇性问题。此技术的关键就在于制备高效、环保、低成本的半导体光电极材料。钒酸铋（BiVO4）作为一种n型半导体材料，因其在液体环境中耐光腐蚀性能较好、具有合适的能带结构、无毒环保等优点而受到广泛研究。然而，BiVO4也存在着光生载流子扩散距离短，光生载流子体相复合严重、表面化学反应动力学缓慢且过程复杂的缺点严重制约了其光电化学性能。 针对以上缺点本论文首先采用电化学沉积与煅烧转化的方法制备了多孔BiVO4光阳极，并通过氢处理得到富氧空位的BiVO4（Vo-BiVO4)光阳极，提升了BiVO4光阳极的载流子浓度，从而提升其电荷传输和体分离效率。通过进一步在Vo-BiVO4光阳极上负载FeOOH助催化剂，改善了BiVO4表面水氧化动力学缓慢的问题，从而得到了性能良好的Vo-BiVO4/FeOOH光阳极，在模拟太阳光照射下，施加电位为1.2VRHE时，光电流密度达到2.58mAcm-2,是未改性的BiVO4光阳极的3.5倍。此外，本论文中自制了光生空穴浓度测量装置和光强调制光电流谱两种光电化学界面动力学研究装置，研究了光电极的界面动力学行为。为了更好地将Vo-BiVO4/FeOOH光阳极应用于光电化学CO2还原的研究上，采用电化学沉积的方法制备了多孔Zn暗阴极，所制备的多孔Zn暗阴极耦合Vo-BiVO4/FeOOH光阳极在光强为10mWcm-2的LED光照下，电解电压为1330mV时，CO2还原为CO表现出较好的选择性，法拉第效率达到87.1％。 其次，由于BiVO4的带隙较宽，不利于太阳光中红外光谱的利用，制约着BiVO4的实际应用。而与上转换材料和与窄带隙半导体形成异质结可以扩宽其光吸收范围。虽然BiVO4是n型半导体，可以作为天然的光阳极材料，但是也可与p型半导体形成p-n结，成为一种复合材料光阴极。 本文的第二部分研究是采用水热法分别合成了BiVO4微晶材料和NaGdF4∶Yb3+,Er3+上转换纳米晶材料，再通过机械研磨的办法将BiVO4与NaGdF4∶Yb3+,Er3+充分混合，之后滴涂于FTO导电玻璃上，最后通过电化学沉积的方法将BiVO4和NaGdF4∶Yb3+,Er3+上转换材料嵌入到Cu2O中，得到NaGdF4∶Yb3+,Er3+/BiVO4/Cu2O内嵌式的复合光阴极。NaGdF4∶Yb3+,Er3+上转换纳米晶材料将980nm的近红外光上转换为510～550nm左右的可见光，提供给BiVO4/Cu2O异质结吸收，成功的扩展了BiVO4/Cu2O异质结的光利用范围。而Cu2O与BiVO4形成的S型异质结，提升了电荷分离率。制备的NaGdF4∶Yb3+,Er3+/BiVO4/Cu2O光阴极在波长为980nm的光照射下表现出良好的光电化学水还原性能。
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