光解水制氢金属氧化物光电极的离子注入掺杂和氧空位引入协同改性研究

基本信息
批准号:11875211
项目类别:面上项目
资助金额:66.00
负责人:蒋昌忠
学科分类:
依托单位:武汉大学
批准年份:2018
结题年份:2022
起止时间:2019-01-01 - 2022-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:张新刚,张晓蕾,贺栋,张楠,侯悦,段占鑫,陈锐
关键词:
离子注入
结项摘要

At present, it is recognized that hydrogen production by solar light water splitting is one of the most effective ways to solve the problem of energy and environment of the world. While, the main bottleneck for current photoelectrochemical water splitting system is to prepare high-performance photoanodes with good chemical durability and low cost. Metal oxide photoanode, such as TiO2, is a good candidate for solar water splitting due to its several advantages, like durability, suitable band edge location and low cost. This project aims to achieve oxygen vacancy and heteroatom co-doped metal oxide photoanodes with high performance for water splitting by ion implantation doping technology and followed vacuum annealing treatment. The quasi in situ synchrotron radiation photoelectron spectroscopy (SRPES) and the near edge X-ray absorption spectroscopy (NEXAFS) and other characterizations will be used to illuminate the influence of oxygen vacancy incorporation on heteroatom doped TiO2, particularly such as optical, electrical, spectral thermodynamics/dynamics, microstructure properties, and the corresponding photoelectrochemical performance. Combing with the density functional theory (DFT) simulation, the potential mechanism will also be figured out. Basing on these studies, the method will be applied to other metal oxide photoanodes. We will finally obtain the technology of application of ion beam technique and vacuum annealing condition in the doping and modification of metal oxide photoanodes. This study will also push the development in the research field of hydrogen production by solar light water splitting.

太阳光水分解产氢气是解决能源与环境问题的重要途径。当前,实现高效的太阳光光电化学分解水的技术瓶颈主要是:寻找与光阴极相匹配的高效、稳定、低成本的产氧光阳极。金属氧化物以其出色的化学稳定性、匹配的能带位置和低成本一致被寄予厚望。本项目拟选取TiO2光阳极材料为代表,利用离子注入技术,结合理论计算,选择合适的非金属,金属离子进行单元素掺杂和双元素共掺,然后结合后续的真空退火处理,构筑有效的异质元素掺杂和氧空位自掺杂的整合与对比分析。通过利用同步辐射光电子能谱/X射线近边吸收谱及其他研究手段阐明氧空位的引入对异质元素掺杂TiO2在光学、电学、光谱热力学/动力学以及局部微观结构的影响,并关联对应的光电化学催化性能,揭示其构效关系。在此基础上,扩展本方法到其它金属氧化物,掌握离子注入和真空退火掺杂改性金属氧化物光阳极技术,并为其它掺杂体系的设计和优化提供有效的科学指导。

项目摘要

利用太阳光光电化学分解水是绿色、可持续产生氢能的有效途径。然而,目前该体系的转换效率普遍偏低,其瓶颈在于没有找到合适的光阳极材料能够高效且稳定的氧化水产氧。过渡金属氧化物半导体基于其优异的耐光腐蚀性,高的光生空穴氧化能力等优点,一直是光阳极材料中被寄予厚望的备选者。针对金属氧化物能带工程中杂质角色的认识,探寻实现杂质活化的根本因素及其内在活化机制,并将金属氧化物光阳极的催化活性提高到一个崭新的阶段。

项目成果
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数据更新时间:2023-05-31

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