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调控空穴界面迁移提升量子点光(电)化学制氢性能
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温敏，中国科学院大学 发展高效、稳定、廉价的人工光合成制氢体系是实现太阳能向氢能高效、大规模转换的重要途径。近年来，量子点因其带隙及尺寸可调、可见光响应系数高、表面易修饰等特点，在人工光合成制氢领域引起了广泛关注。通过与产氢助催化剂的结合，量子点光生电子被高效、快速地捕获利用，人工光合成制氢体系的效率不断攀升。尽管如此，量子点光生空穴的迁移速率远远小于光生电子的迁移速率，成为量子点人工光合成制氢体系效率和稳定性进一步提升的瓶颈。本论文中，我们通过设计促进量子点光生空穴界面迁移与捕获的策略，显著提升了量子点光（电）催化制氢体系的效率和稳定性，取得如下研究结果: 1.利用次级配位作用加快了量子点光生空穴的界面迁移速率，提升了CdSeQDs/PAA-g-Fe2S2人工光合成制氢体系的效率和稳定性。利用透射电镜、动态光散射、Zeta电位等检测手段证明了聚乙烯亚胺(PEI)在CdSe QDs表面的配位能够改善CdSe QDs在酸性条件下的稳定性，调控CdSe QDs表面的电荷，进而促成抗坏血酸阴离子在CdSe QDs表面的次级配位，显著提升光生空穴从CdSe QDs到抗坏血酸电子牺牲体的界面迁移速率。光催化产氢体系的催化转换数(83600)，是目前[FeFe]氢化酶模拟化合物的最高值。 2.利用p-NiO对CdSe QDs光生空穴的捕获以及Fe2S2(CO)6对CdSe QDs光生电子的捕获，促使NiO/CdSe QDs-Fe2S2(CO)6组装体光阴极在不外加电子牺牲体的中性水溶液中催化质子还原产氢。可见光照和-0.1 Vvs.NHE偏压条件下，体系的光生电流密度可高达-56μA·cm-2。得益于量子点足够负的导带电位、[FeFe]氢化酶模拟化合物优异的质子还原性能以及NiO电极对光生空穴的高效迁移，组装体光阴极将[FeFe]氢化酶模拟化合物催化质子还原的起始电位减小到+0.3 Vvs.NHE，是目前[FeFe]氢化酶模拟化合物产氢的最低起始电位。 3.利用水热法制备的多孔NiO为空穴传输材料，实现了NiO/CdSe QDs光阴极在中性水溶液中光电化学分解水制氢效率的显著提升。可见光照和-0.1 V vs.NHE偏压下，多孔NiO/CdSe QDs光阴极的光电流密度高达-136μA·cm-2，是相同条件下制备的薄膜NiO/CdSe QDs光阴极的2.6倍。光电化学测试、元素分析、光谱实验以及电化学阻抗谱等结果证实体系光电化学分解水制氢效率的提升得益于多孔NiO电极优异的空穴传输性能，NiO致密有序的孔状结构更有利于量子点光生空穴的界面迁移。 4.首次利用多巴胺聚合物(PDA)作为空穴传输单元，实现了FTO/PDA/CdSe QDs光阴极高效光电化学分解水制氢。可见光照和-0.1 V vs.NHE偏压下，体系在72小时维持-45μA·cm-2的光生电流密度，产氢法拉第效率达到85％，产氢速率高达55400μmol h-1 g-1 cm-2(基于CdSe QDs)。体系在无需保护层和外加助催化剂的中性水溶液中高效、稳定的分解水制氢得益于PDA对光生空穴的高效捕获和迁移以及平衡匹配的光生空穴和电子的动力学过程。利用PDA薄膜构筑的光阴极在多种基底表面实现了高效的光电化学分解水制氢。 |
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小婷子脸大大
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2021-03-05 21:03:31 发布，悬赏 10 积分
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