光电解池制氢的电极过程研究

本项目通过对光电解池的膜电极结构及光催化剂催化性能的研究，考察零间距光电解池中的不同光电解催化剂体系的光电解水的电极过程动力学影响因素；在微观尺度上构建具有特定结构的半导体材料，通过对光阳极半导体材料的物理及化学表征，考察不同的表面修饰手段对各种催化剂光响应的影响，通过贵金属沉积，元素掺杂，光量子点敏化等修饰手段来提高其在可见光区的催化性能。通过对光电解水反应机理的认识，结合三电极体系的结构特点，建立新型的一体式光电解水产氢结构，提高光电解池的整体产氢性能。本项目将结合电化学、光催化、反应过程动力学等手段，建立光电解池中膜电极过程动力学模型，为光电解池的研究提供新思路，新方法，同时也将为光电解池阳极材料的发展提供理论借鉴。

在众多的可再生能源中，太阳能具有最大的开发潜力，并且其转换过程中对环境影响最小，是各类能源的源泉和最有希望的化石能源替代品。氢能是一种理想的能源，被认为是最有潜力的能源之一。光电解水产氢直接将太阳能转换成化学能，是一种理想的制氢途径。实现太阳能产氢的关键是开发高性能光催化材料，目前这方面的研究虽取得较大进展，但其光吸收和光催化效率仍然不高，稳定性也存在一定问题，离实际应用还有很大差距。此外，对于光电解池结构的研究相对较少，目前所用的光电解池主要是三电极结构，其弊端是电极间距过大且产生的气体难以在线分离。因此，研究具有较高光转化率的半导体材料及设计新型的光电解池结构对推动光电解水产氢具有重要的现实意义。本项目主要针对光电解池、膜电极及光阳极催化剂的结构构建及优化。.自组装设计构建了新型零间距的光电解池和基于石棉膜及阴离子交换膜的膜电极结构，使产生的气体能够在线分离。与常用的三电极体系产氢系统相比，双电极与膜压合构成的MEA结构可以有效地减小两电极之间的距离，降低离子传输过程中的欧姆损失，且整套装置体积小，结构紧凑。光电解池的光氢产率可以达到1.13% （0.6V vs. NHE），光电解水过程中光电流密度可以达到1.55 mA/cm2（0.6V vs. NHE），对应的H2生成速率为0.57 ml/h cm2。.通过考察不同半导体催化剂物理化学性能及光电池中光电流密度等，研究了其作为光阳极的合成方法、形貌及结构、表面修饰、元素担载和掺杂对其光电解催化性能的影响，从而提高了半导体催化剂在光电解水过程中的紫外可见光的吸收性能和催化活性。在水热法制备的α-Fe2O3纳米棒表面担载了CoPi基团，光电解水过程的性能测试结果表明经过其光电化学性能大大提高，达到了270 μAcm-2@1.23V（vs NHE，为α-Fe2O3纳米棒的10倍左右）。运用水热合成法将Sn离子成功掺杂到TiO2NRs体相内部，并在纳米棒表面进行Au纳米粒子的担载，Sn-TiO2NRs表面电沉积Au后，其光电流密度为71μA/cm2，为纯TiO2NRs的10倍，在可见光下产氢率可以达到0.13%。.同时在三电极体系的基础上，结合电化学、化学动力学等测试表征手段探索了光电解过程的反应机理。在此基础上建立光电解水中的过程动力学模型，为光电解池及膜电极的设计和光电催化剂的设计研究提供借鉴。