基于场效应的光/电催化能源转换研究

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光/电催化分解水(H2O)产氢(H2)和二氧化碳(CO2)还原制备碳氢燃料,是解决能源危机和碳排放问题的潜在技术之一。在析氢反应(HER)中,过电位高、电流密度小等问题严重限制了光/电催化产氢的实际应用;同时,在CO2还原(CO2RR)中,催化活性差、产物选择性低等问题也阻碍了CO2资源化利用的进程。在这些催化反应过程中,引入光场、电场等能够诱导产生场效应,改变催化剂本征活性和催化活性位点局部微环境,成为优化过电位、电流密度、调控反应活性和选择性的有效手段。场效应可以影响电极反应过程中的电子激发、光生电荷分离、反应物分子吸附以及局部反应物浓度。本论文通过构建外部光场、界面电场和局域电场,探究了场效应在电催化产氢和光催化CO2还原反应中的作用,为深入理解场效应与催化性能之间的关系提供了参考。具体研究内容如下:(1)选用Ag/Mo2C作为模型催化剂,探究金属Ag表面光场效应诱导激发的热电子对光电催化产氢活性的影响。有限元模拟(FEM)和开尔文探针力显微镜(KPFM)证明了Ag/Mo2C结构能够在Ag颗粒表面激发热电子,通过对比光态和暗态下的产氢反应活化能,发现光场激发的热电子会降低活化能,相比于Mo2C,样品Ag/Mo2C的光电催化析氢过电位降低了104 m V。(2)选用金属性MoO2与g-C3N4构建肖特基结作为模型催化剂,探究MoO2与g-C3N4间界面电场通过促进光生电荷分离对光催化CO2还原活性和选择性的影响。密度泛函理论(DFT)计算和实验证明了MoO2/g-C3N4肖特基结间存在界面内建电场,瞬态荧光光谱证明了界面内建电场能够加快光生电荷的分离,从而提升CO2还原活性和选择性。光催化CO2还原性能测试表明,在MoO2/g-C3N4上得到的CO和CH4产率分别是纯g-C3N4的5倍和15倍。(3)选用Ru/MoO2作为模型催化剂,探究其Ru-O-Mo界面电场通过引发反应物分子吸附对碱性电催化产氢活性的影响。利用密度泛函理论(DFT)计算发现Ru-O-Mo界面具有更强的水吸附能和更低的水解离能垒,通过同步辐射和光电子能谱确定了Ru-O-Mo界面和电荷转移的存在,进一步通过红外和水传感器测试证实Ru-O-Mo界面电场拥有更强的水吸附能。碱性电解水产氢性能表明,Ru-O-Mo界面催化剂的过电位仅为16 m V,其稳定性可以达到40 h。(4)选用具有凸起状结构的Ni/Mo-Ni作为模型催化剂,探究凸起结构形成的局域电场通过引起局部反应物浓度改变对电催化全水分解活性的影响。有限元模拟和离子吸附实验证明了Ni/Mo-Ni结构中凸起的Ni颗粒表面会形成局域电场,局域电场能够影响局部反应物浓度和传质,从而改善催化剂的活性。电催化水分解测试表明,Ni/Mo-Ni在产氢中过电位只有25 m V,产氧反应中只有215 m V,并且在全水分解测试中,只需要1.76 V电压就能驱动100 m A cm-2的电流密度。图95幅,表8个,参考文献270篇
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