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齐岳生物提供三氧化钨材料在光电催化水氧化中的应用分析
发布时间:2021-04-12     作者:zzj   分享到:

光电催化水分解技术可以在分离的空间内分别进行水的还原和氧化反应生成氢气和氧气(如图1所示),是一种高效的光能到氢能的转换技术,因而受到研究者的广泛关注。光电催化水分解过程中,阳极上发生的水氧化反应是一个四电子转移过程,是水分解反应的限速步骤。为了提高光电催化水分解中阴极的产氢效率,应当优先提高阳极上的水氧化反应效率。在众多的光阳极中,三氧化钨由于其带隙窄和价带位置高而成为理想的光阳极材料之一。然而,三氧化钨阳极的实际应用还是受到光生电子和空穴的严重复合以及电极表面缓慢反应动力学的限制。同时,W-O悬空键及缺陷等表面态也限制了三氧化钨光电催化水氧化的性能。另外,由于三氧化钨的高价带位置使得三氧化钨电极上通常还存在副反应发生,最终导致光电催化水氧化的法拉第效率低。因此,需要对三氧化钨电极进行必要的修饰或处理来提高其性能。

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1 三氧化钨光电催化分解水示意图

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2. 提高三氧化钨光电催化水氧化性能措施概况图

该综述详细介绍了三氧化钨材料作为光阳极用于光电催化水氧化反应的优缺点,并分别从形貌控制、构造缺陷、构建异质结、负载助催化剂及应用等离子体效应等方面对提高三氧化钨阳极水氧化性能进行了综述。

图文导读

1. 形貌控制

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3. 三氧化钨纳米线(a)和两种不同条件下制备纳米片(bc)的扫描电镜图

通过改变水热合成条件可以得到纳米线和纳米片状的三氧化钨材料。纳米片状的三氧化钨比纳米线三氧化钨具有更好的光电催化水氧化性能,而且厚度大的纳米片(右图)具有更高的性能。

通过形貌控制可以将三氧化钨制备成纳米线、纳米片及多孔状,从而增大电极的比表面积或降低材料的厚度,有利于光生空穴迁移到电极表面。

2. 引入缺陷

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4. 用溶于乙二胺的锂处理后的三氧化钨的透射电镜图。处理时间分别为(a0 s,(b10 s,(c20 s和(d40 s

用溶于乙二胺的锂对三氧化钨处理可以在其表层形成氧和钨的空位,随着处理时间增加,空位层的厚度也增加。

缺陷可以作为材料的活性位点存在。用化学方法引入的表面缺陷可以吸附羟基,并增强光电催化性能。但材料上存在过多的缺陷时也会阻止电荷传输,因而导致光电催化性能降低。在三氧化钨上引入适量的化学缺陷可以提供大量的反应位点,有利于光生电荷的传输,提高光电催化水氧化性能。

3. 构建异质结

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5. 三氧化钨与三氧化二铁构成的异质结电极及电荷传输示意图

在三氧化钨上负载三氧化二铁形成的异质结促进了光生空穴和电子分别传向三氧化二铁和三氧化钨。在此基础上再负载镍铁水滑石可以进一步提高电极的光电催化水氧化性能。镍铁水滑石中的二价镍被光生空穴氧化成四价后参与水氧化反应自身被还原为二价,从而形成循环过程。

通过构建异质结可以有效促进三氧化钨电极内的光生电荷分离,提高整个复合电极的光吸收效率。如果构建异质结的另一种材料本身也是一种水氧化助催化剂,那么该材料可以起到分离光生电荷和提高表面催化效率的双重作用。

4. 负载助催化剂

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6. 三氧化钨上负载水滑石(a)和CoOxb)的水氧化示意图

在三氧化钨上负载的催化剂可以被光生空穴氧化高价态后参与水氧化反应自身被还原为低价态,从而形成循环过程。

负载均相或多相助催化剂都可以提高三氧化钨电极表面的反应活性,进而提高到达电极表面的光生电荷利用效率,得到提高的光电流和降低的起始电位。

5. 负载具有等离子效应的金属

在三氧化钨电极上负载具有等离子效应的金属(如贵金属金、银等)可以拓宽光吸收范围,提高电极的光电转换效率。


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以上内容来自齐岳小编zzj 2021.4.12







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