摘要
在我国“双碳”政策的背景下，新能源的开发和利用是实现能源产业可持续发展的必由之路。氢能是一种清洁、环保、可再生的绿色能源，其开发和利用对于解决日益突出的能源和环境问题至关重要。光催化技术是实现氢能制备的一种低成本、低耗能的重要途径，其核心是高效光催化材料的研发。 红磷作为一种新型的元素单质半导体光催化剂，在光解水制氢领域具有潜在的应用前景。然而，作为光催化领域的新材料，目前对于红磷光催化活性的开发以及光催化动力学作用机理的研究较为有限，缺乏对于限制红磷本体光催化活性主导因素的认知。因此，本论文基于缺陷结构工程调控策略，通过对结晶态红磷的磷空位缺陷进行原位调控，以探究磷空位缺陷浓度变化与结晶态红磷光解水制氢性能以及光生载流子动力学之间的影响规律，从而揭示结晶态红磷的磷空位缺陷能级属性。在此基础上，进一步通过元素掺杂策略对结晶态红磷的缺陷和能级结构进行改性研究，从而优化结晶态红磷的光解水制氢性能。本论文的主要研究内容如下: (1)红磷的磷空位缺陷原位调控及缺陷能级属性研究。以结晶态红磷作为研究对象，分别采用不同气氛下的退火热处理法对其结构缺陷进行调控，制备了一系列缺陷型结晶态红磷和氧掺杂结晶态红磷单质光催化材料，并采用先进的表征技术对其物化属性进行了研究。结果表明，磷空位会在结晶态红磷的能级结构中形成深度捕获能级，诱导光生电荷的深度捕获效应，从而不利于光解水制氢反应的进行;而通过氧掺杂的方式填补结晶态红磷的磷空位缺陷，可有效缓解其内部的电荷深度捕获过程，显著延长活性电荷的寿命，从而有效提高结晶态红磷的光解水制氢性能。 (2)磷掺杂结晶态红磷的制备及光解水制氢性能研究。采用磷化氢气相热处理法对结晶态红磷的结构缺陷进行调控，通过磷掺杂的方式填补其磷空位缺陷，以构建具有较为完整分子结构的结晶态红磷光催化剂。研究表明，磷元素的掺杂有效降低了磷空位缺陷的浓度，抑制了光生电荷的复合过程，提高了光生载流子的分离和迁移速率，从而使其光解水制氢性能得到进一步提升。
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