摘要
氢气（H2）由于其高能量密度和零污染的最终产物（H2O），被认为是解决碳足迹问题最有前途的能源载体。光电化学（PEC）分解水制氢技术因其能够利用太阳能（最丰富的可再生能源之一）而成为人们研究的热点。金属氧化物光阴极材料具有地球储量丰富、低成本以及合成过程简单等优点，有望实现大规模的工业应用。但是，金属氧化物光阴极PEC析氢性能与理论值仍有较大的差距，晶体缺陷（点缺陷、针孔和晶界）的存在和低的载流子迁移率、光生电子-空穴对的严重复合是限制它们性能的主要因素。为此，本论文以CuBi2O4为研究对象，针对其光阴极中光生电子-空穴对的严重复合、载流子迁移率低等问题，制定不同的应对策略。通过独特配体诱导晶体成核与生长的策略，减少晶体缺陷，促进光生载流子传输，减少光生电子-空穴对的复合。此外，本论文还将 CuBi2O4 与 CuO 复合，形成 Type-Ⅱ型CuBi2O4/CuO异质结，促进光生载流子的分离，并降低电荷转移电阻。本论文的具体研究内容如下所示： 1、独特配体策略诱导CuBi2O4光阴极的生长及其分解水制氢性能研究 本工作采用独特配体诱导生长策略，使用溶剂凝胶法制备了致密CuBi2O4光阴极。通过相关表征和测试发现，以乙二醇甲醚作为配体能够诱导CuBi2O4晶体成核和生长，得到具有高结晶度和覆盖率，大晶粒尺寸和低氧空位缺陷特征的 CuBi2O4薄膜（2-CuBi2O4）。2-CuBi2O4光阴极具有高光吸收能力、高载流子迁移率的优点，还能够减少光生电子-空穴对的复合。在模拟太阳光照射时，2-CuBi2O4光阴极在0.4 V vs. RHE的电位下，光电流密度能达到-0.98 mA cm-2，且外加偏压光电转化效率（ABPE）最高值为0.414%。这种独特配体诱导生长策略能为设计性能优异稳定性良好的光电催化剂提供思路与见解。 2、CuBi2O4/CuO异质结光阴极的制备及其分解水制氢性能研究 使用溶胶凝胶法加上重复双电位脉冲计时电流法制备了 CuBi2O4/CuO 异质结光阴极，通过调节总电沉积时间获得了一系列材料比不同的CuBi2O4/CuO样品。相关表征和测试表明，CuBi2O4/CuO光阴极能够更高效的利用入射光，具有较小的电荷转移电阻，能够促进光生电子和光生空穴的分离，减少光生电子-空穴对的复合。CuBi2O4/CuO 光阴极在 PEC 水分解体系中表现出优秀的性能，在模拟太阳光照射时，在0.4 V vs. RHE的电位下，光电流密度能达到-1.28 mA cm-2，且外加偏压光电转化效率（ABPE）最高值为0.515%。这种异质结构建策略为设计性能优异稳定性良好的光电催化剂提供了思路与策略。
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