新型Cu2ZnSnS4复合薄膜电极可见光催化还原CO2的研究

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。