基于旋涂法制备晶面取向WO3光阳极及其光电分解水性能研究

Hydrogen energy is one kind of renewable and clean energy urgently needed in China, and an important way to deal with environmental pollution and climate change. Photoelectrochemical (PEC) water splitting technology is one of the most important hydrogen production processes. The key of this technology lies in the preparation of photoelectrodes with high catalytic activity. Due to different crystal planes of the catalysts have the different catalytic properties, the preparation of photoelectrodes with high active crystal facet can effectively improve the efficiency of the photoelectrochemical water splitting. Tungsten trioxide (WO3) is a common semiconductor photocatalyst. Nowadays, high quality crystalline oriented WO3 films can not be prepared on a large scale by traditional hydrothermal method, and there is no in-depth study on the structure-activity relationship between crystalline orientation and photocatalytic performance. In this project, WO3 thin films with different crystal orientation will be prepared on conductive substrates by spin-coating method. The key to this method is to find suitable capping agent, such as metal ions or polymers. The growth mechanism of the crystal facet-oriented film can be obtained by in-situ characterization. The structure-activity relationship between the oriented facet and the photocatalytic performance of WO3 photoanodes with different crystal orientation was explored by studying their PEC water splitting performance. This study is helpful to understand the structure-activity relationship between crystal orientation and photocatalytic properties, and to provide scientific guidance for the development of photoelectrodes with high catalytic properties.

氢能是我国急需发展的可再生清洁能源，是应对环境污染及气候变化问题的重要举措。太阳能光电水解制氢技术是重要的氢能生产工艺之一。该技术的关键在于制备高催化活性的光电极。由于催化剂的不同晶面具有不同的催化性能，因此制备具有高活性晶面的光电极能有效提高光电分解水性能。三氧化钨(WO3)是一种常见半导体光催化剂。目前高质量的晶面取向WO3薄膜仍不能通过传统的水热法实现规模化制备，且缺乏对晶面取向与光电催化性能的构效关系的深入研究。本项目拟通过旋涂法在导电基板上制备出具有不同晶面取向的WO3薄膜。该方法关键在于找到合适的结构引导剂，如金属离子或者高分子聚合物。通过原位表征手段对晶面取向过程进行研究并得出晶面取向生长机理；通过研究不同晶面取向WO3光阳极的催化分解水性能，探究晶面取向与光电催化性能的构效关系。本研究有助于理解晶面取向与光电催化性能的构效关系，为研发高催化性能半导体光电极提供科学指导。

氢能是我国急需发展的可再生清洁能源，是应对环境污染及气候变化问题的重要举措。光电水解制氢技术是未来重要的绿色氢能生产工艺之一。该技术的关键在于制备高催化活性的光阳极。由于催化剂的不同晶面具有不同的催化性能，因此制备具有高活性晶面的光阳极能有效提高光电分解水性能。三氧化钨（WO3）是一种常见的n型半导体光催化剂。目前高质量的晶面取向WO3光阳极仍不能通过传统的水热法实现规模化制备，且缺乏对晶面取向与光电催化性能的构效关系的深入研究。本项目通过筛选不同的结构引导剂，如金属离子和有机高分子聚合物等，并使用旋涂法制备不同晶面取向的WO3光阳极。以过氧钨酸为基础旋涂液，最终可以筛选出用于制备(002)晶面取向生长薄膜的结构引导剂：金属离子Bi3+（添加Bi或Bi2O3等）；用于制备(200)晶面取向生长薄膜的较好结构引导剂：Cu2+（添加CuCl等）及水溶性高分子聚合物聚乙烯吡咯烷酮（PVP）。PVP可以控制相对较低表面能(200)晶面的选择性生长，形成(200)晶面优先取向生长的WO3纳米颗粒薄膜。相比于晶面非取向薄膜，(200)-WO3薄膜具有较好的光电催化分解水性能。以(002)晶面取向的晶种层为基板，通过水热法制备出同质结WO3纳米花/板复合薄膜并能够提高光电催化分解水效率及稳定性。该研究为WO3光阳极的热力学和动力学高效水氧化提供了一种新的改性策略。此外，研究发现非晶态Bi-WO3薄膜也具有一定取向性并表现出非常优异的电致变色性能。该研究有望进一步拓展晶面工程研究应用领域。