ZnO光阳极/Cu2O光阴极串联结构光电化学电池的零偏压光解水制氢性能研究

Low-density solar energy can be converted to storable hydrogen energy by solar water splitting, which is one of the most important ways to solve energy shortage. Tandem photoelectrochemical cells overcome the limitation of conversion efficiency of a single photocatalyst, and can directly convert solar energy to hydrogen energy even without external bias. In this project, ZnO photoanodes will be combined with Cu2O photocathodes to fabricate novel tandem photoelectrochemical cells. Light-harvesting ability, conductivity, and photocatalytic activity of the photoanodes can be improved by fabricating three dimensional ZnO nanowire arrays, incorporating photosensitizers, and coating oxygen evolution catalysts, respectively. The flat potentials of Cu2O photocathodes can be modulated by tuning the Fermi levels. Light absorption, resistant to photocorrosion, and photocatalytic activity in the IR region of the photocathodes can be enhanced via constructing nanowire arrays and depositing protective layers and carbon quantum dots, respectively. The effect of turn-on voltages and photocurrent densities on the solar-to-hydrogen conversion efficiency will be systematically investigated. The problems of energy level matching and charge flux matching of the photoelectrodes will be deeply discussed. The mechanism of the unbised solar water splitting of the tandem photoelectrochemical cells will be clarified. The research of this project will provide experimental and theoretical guidance for the development of efficient, stable, and low-cost solar water splitting systems.

利用太阳光催化分解水制氢技术，可以将低密度的太阳能转化为可存储的氢能，是解决能源紧缺问题的重要途径之一。串联结构光电化学电池突破了单一光催化剂对转换效率的限制，即使在没有外加电源的情况下也可以实现太阳能到氢能的直接转化。本项目拟将ZnO光阳极和Cu2O光阴极结合起来，构建新型的串联结构光电化学电池。通过构筑三维空间结构的ZnO纳米线阵列、复合光敏化剂、沉积析氧催化剂等手段，提高光俘获能力、增强电荷传输性能、降低光催化反应势垒。通过调节Cu2O薄膜的费米能级、构建纳米线阵列、沉积保护层和碳量子点等方法，控制光阴极的平带电压、增强光吸收和抗光腐蚀能力、提高近红外光催化活性。系统研究开启电压和光电流密度对光转氢效率的影响规律，深入探讨光电极之间的能级匹配和电荷通量匹配问题，揭示串联结构光电化学电池在无偏压条件下的光解水制氢机理，为开发高效、稳定、廉价的太阳光分解水制氢系统提供实验和理论指导。

随着我国经济社会的高速发展，能源短缺、环境问题日益严重，迫切需要发展新技术来解决这些问题。氢气的热值非常高是石油的三倍多，而且燃烧产物为水蒸气，非常清洁环保。利用光电化学电池吸收太阳光，分解水制备氢气技术越来越受到科学界关注。具有光催化性能的半导体光电极在与电解质溶液接触时，在界面处形成空间电场，在受到光照时，可以将光生电子空穴对分离，在外电路形成光电流，在固液界面处可以将水氧化或者还原，生成氢气和氧气，从而实现光能到化学能的转换。本项目分别研究了ZnO基光阳极、Cu2O基光阴极材料的光电化学性能，并在此基础上进一步组装了光阳极-光阴极串联结构光电化学电池，揭示了其自驱动光解水制氢机理。主要结论如下：构建了Si/ZnO异质n-n结结构光阳极，通过引入石墨烯中间层加速了光生电荷的传输效率，使光电流密度提高了1.6倍；构建了有序ZnO纳米线阵列/CdS纳米颗粒复合结构光阳极，发现图案化的表面结构可以提高比表面积和光吸收剂的附着量，从而提高了光阳极的光电化学性能；分别构建了ZnO/Cu2O和ZnO/CdS复合结构光阳极，并通过加入石墨烯电荷传输层提高其自驱动光电化学光响应性能；组装了ZnO/CdS光阳极-Cu2O/Cu2S光阴极串联结构光电化学电池，在零偏压下的转换效率达到0.38%；制备了ZnO/CdS/NiFe LDH光阳极-Cu2O光阴极串联结构光电化学电池，阐明了其自驱动光解水机理，在0 V偏压时氢气产生速率为0.5 μmol/cm2 h。本项目的研究成果，为开发高效、稳定的光解水制氢技术提供了实验和理论基础。