新型Cu2ZnSnS4复合薄膜电极可见光催化还原CO2的研究

使用可见光还原CO2为化学燃料对缓解石化能源危机和世界温室气体排放引起的环境问题具有十分重要的意义，而光催化材料是实现这一目标的主要形式。与目前广泛研究的其他光催化材料相比，窄带隙的铜锌锡硫半导体材料具有成本低廉、无毒环保和太阳光的吸收利用率高的特点，具有更加广泛的开发应用前景。如何优化铜锌锡硫薄膜的内部结构以提高光电子传输性能和表面光催化反应活性是实现高效光催化还原CO2的关键。本项目通过使用铜锌锡硫纳米颗粒作为薄膜涂料增加表面积，复合高导电性的碳纳米管或石墨烯作为光电子的超快传输通道以及表面助催化剂修饰，构建新型的铜锌锡硫薄膜电极。同时使用卤素离子为牺牲剂改善正极氧化反应的效率，提高整体的光电转化效率和氧化产物的经济价值。研究薄膜电极复合结构对光吸收特性、光电催化性能以及稳定性的影响，优化电极的结构和组分。本项目对研究窄带隙光催化剂应用于可见光高效还原CO2具有重要的科学价值。

为了提高光电催化薄膜电极的光电催化的性能，我们在光电极材料的制备以及结构设计等关键问题上展开研究工作，本项目着重进行了铜锌锡硫纳米材料以及薄膜电极的制备方法、复合结构薄膜电极的设计制备等方面的研究。项目在 Adv. Mater., ACS Appl. Mater. Interfaces, Nanotech., RSC Adv., J. Mater. Chem. A, Small等国内外重要学术刊物发表SCI 收录论文18篇，申请中国发明专利 16项，授权 3项。培养毕业生在催化、光电催化、储能器件领域有一定建树的优秀博士研究生 2名，硕士生2名。项目开展的主要工作有：.1..开发了若干种绿色合成CZTS纳米晶体的新方法。CZTS的多元组成使其制备控制成为一个难点，常用的热注法会引入大量长链有机溶剂以及表面活性剂，而低成本的溶液基化学方法制备是一个挑战。因此，研究CZTS材料的化学制备及其光催化性能是实现该材料在太阳能-化学能转化方面应用的关键。我们针对CZTS纳米颗粒的合成开发了低污染低成本的溶剂热、水热、以及硬模板法等新合成方法。其中硬模板法合成更是是首次成功实现四元复合物的硬模板法合成。.2..采用简单易行且成本低廉的溶液基方法（旋涂法）直接在基底上沉积CZTS薄膜。旋涂法得到的CZTS薄膜表面平整、致密、无裂纹，所具有的光催化性能比溶剂热法制得的更好。为了克服CZTS材料的光腐蚀现象，本文用CdS和TiO2薄膜对甲醇基液相旋涂法制备的CZTS薄膜进行表面修饰，制备出具有CZTS/CdS/TiO2结构的光电极。该种光电极不但具有优异的光电化学性能，而且在长时间的光电化学分解水制氢反应中表现出非常好的稳定性。.3..本项目对光电薄膜的材料、微结构、以及复合结构对光电催化性能的影响做了深入的研究。研究了包括CZTS、Fe2O3, Si, WO3等不同光电催化薄膜电极的微纳结构与表面复合层以及金属催化剂与光电催化性能之间的影响关系。我们设计制备了硅基光电薄膜电极，光电转化效率达到16%的世界先进水平。