FeS2/SiC光阴极的设计组装及其高效光电催化分解水制氢性能的研究

Photoelectrocatalytic water splitting for hydrogen generation is a new type clean solar energy technology. The structure and composition of photoelectrochemical catalysts are main factors to influence the energy conversion efficiency of solar utilization, and design and assembly of efficient photochemical catalysts is the technology key to enhance photoelectric conversion efficiency. In this project, this proposal adopts homemade n-type sawtooth SiC nanorods used as the substrate, and p-type FeS2 nanoparticles with different sizes and elemental compositions deposited on the surface of sawtooth SiC nanorods by atomic layer deposition and subsequent in situ plasma-assisted sulfurization to obtain the core/shell-like small-sized FeS2 nanoparticles/ sawtooth SiC nanorods hybrid photoelectrochemical catalyst. By a variety of material analysis techniques and photoelectrochemical methods, we will systematically elucidate the dependence of the activity of hydrogen generation from photoelectrocatalytic water splitting on structure and composition of FeS2 nanoparticles/sawtooth SiC nanorods hybrid photoelectrochemical catalyst; illustrate the enhancement mechanism of p-n heterojunction in hydrogen generation from photoelectrocatalytic water splitting; and discover the photoelctrocatalytic water splitting collaborate mechanism between FeS2 nanoparticles and sawtooth SiC nanorods and establish the corresponding theoretical model. This strategy on combining sawtooth SiC nanorods and small-sized FeS2 nanoparticles, and controlling the size and composition of FeS2/SiC composite, is expected to further improve the photoelectric conversion efficiency for hydrogen generation from photoelectrocatalytic water splitting using solar energy, providing the theoretic and experimental basis for design of such photoelectrochemical catalysts.

光电催化分解水制氢是一种新型清洁太阳能利用技术。光电催化剂的结构与组成是影响太阳能利用转化效率的主要因素，高性能光电催化剂的设计组装是提高光电转化效率的技术关键。本项目以课题组自制的n型锯齿状SiC纳米棒为基体，采用原子层沉积技术结合等离子辅助硫化,在SiC表面控制生长粒径、元素组成可调的p型FeS2纳米粒子，以获得类核壳结构的小尺寸FeS2纳米粒子/锯齿状SiC纳米棒复合型光电催化剂。通过材料表征及光电化学技术系统分析FeS2/SiC复合光电催化剂结构、组成与光电催化分解水制氢活性之间的关系;分析研究p-n异质结对光电催化分解水制氢的增强机制;阐明FeS2与SiC的光电协同催化分解水机理并建立相应的理论模型。通过复合锯齿状SiC纳米棒与小尺寸FeS2纳米粒子并控制复合物粒子尺寸和组成的策略，可望进一步提升太阳能光电催化分解水制氢的能量转化效率，为此类光电催化剂设计提供新理论和实验依据。

现代社会大量使用化石资源带来了资源日益枯竭以及环境污染的巨大压力，大力开发清洁的可再生能源（包括太阳能，氢气等）是解决这个挑战的最有效方法。将用之不竭的太阳能以化学能的形式储存和利用，是目前最受研究者关注的课题之一。光/电催化分解水制氢或者加氢反应就是其中一种高效新型清洁太阳能利用技术。在该技术的各个组成部分中，光电催化剂的结构与组成是影响太阳能利用转化效率的主要因素，高性能光/电催化剂的设计组装是提高光/电转化效率的技术关键。因此本项目的核心是设计并合成高性能光/电催化剂。在研究工作中，课题组通过多种技术手段达到FeS2,CoS2纳米材料的合成控制，与碳化硅，石墨烯等材料的复合，优化材料光结构与组成，获得具有优异光/电催化析氢，加氢功能的催化剂，并研究和揭示催化剂的结构、组成及光/电催化分解水制氢，化合物加氢等反应活性，分析光电协同催化机理，主要开展以下方面研究：(1) FeS2 纳米粒子尺寸及缺陷控制对催化剂光电分解水制氢性能的影响；(2)FeS2 纳米粒子结构控制与表面组成调控对光催化剂光响应、导电特性以及光催化硝基苯加氢性能的影响；(3)通过CoS2/石墨烯光催化剂硝基苯加氢制苯胺的微观过程研究分析，揭示光催化表面催化加氢的作用机制；（4）碳化硅薄膜的结构结构形貌，薄膜厚度尺寸及缺陷控制对催化剂光电分解水制氢性能的影响；(5) 实现氢化石墨烯负载MoS2纳米片阵列的可控制备，研究MoS2纳米粒子/氢化石墨烯形貌结构，纳米尺寸，组成以及表面缺陷在电催化分解水制氢的影响规律和其中作用机制。这些研究工作从实验和理论上证明将太阳能以化学键的形式存储和使用是可行的，为新能源材料的设计提供了新的思路和理论基础。