阵列半导体纳米片光解水微观机理的原位同步辐射研究
结题报告
批准号:
U1332111
项目类别:
联合基金项目
资助金额:
72.0 万元
负责人:
刘庆华
依托单位:
学科分类:
A3202.上海光源
结题年份:
2016
批准年份:
2013
项目状态:
已结题
项目参与者:
姜泳、程位任、张石宝、黄钧衡、刘炜
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中文摘要
21世纪世界能源发展的重要方向之一是希望通过太阳能光解水的“人工光合作用”将太阳能转换为清洁的化学能,为此必须深入了解太阳能水分解的过程机理。本项目拟利用水热合成法制备高度取向的Fe2O3半导体纳米片阵列光电极材料,实现光生载流子的定向转移和高效分离,提高其可见光量子转换效率。利用原位同步辐射XAFS/EIS联用技术对阵列Fe2O3纳米片光解水过程进行原位X射线吸收精细结构谱(XAFS)和电化学阻抗谱(EIS)的在线测量和监控,研究Fe2O3半导体纳米片阵列结构在光解水过程中表面态中心原子和电子结构的变化以及光生载流子的迁移路径,结合第一性原理理论计算获得水在阵列Fe2O3纳米片光电极表面的四电子羟基氧化步骤,深入探讨其光电化学水分解反应过程中的载流子转移机制和水分解反应的微观过程机理,为进一步优化设计和可控制备高性能的过渡金属元素基太阳能转化光电极材料提供实验和理论基础。
英文摘要
In the twenty-first century, one of the most important goals of world energy is to use the "artificial photosynthesis" of solar water splitting to convert the solar energy into chemical energy. To achieve this goal, it needs to firstly understand the physical and chemical mechanisms of solar water splitting; especially the carrier transfer mechanism and hydroxyl oxidation steps in the four-electron water oxidation process. . In this proposal, we aim to synthesize a novel type of highly ordered Fe2O3 nanosheets arrays photoanode materials with prominent photoeletrochemcial (PEC) performance, and use the self-established in-situ PEC XAFS/EIS equipment to monitor the water photolysis process under various photochemical conditions by the synthesized nanosheets arrayed photoanodes. In combination with other conventional measurement and analysis methods such as XPS/UPS and UV-vis absorption spectroscopy, the in-situ XAFS/EIS technique is used to systematically investigate the atomic and electronic structures of the central surface states and the carrier transfer path in the process of PEC water splitting on the hematite nanosheet arrayed photoanodes. By means of the first-principles calculations, the decomposition steps of water on the photoanode surface will be explored and the solar water splitting mechanism will be deeply investigated. The obtained results will provide some experimental and theoretical basis for further optimization design of electrode materials and controllable preparation of high-performance transition metal based photoelectrodes.
依托上海同步辐射光源建立了光电化学原位XAFS/EIS实验方法。利用同步辐射XAFS/EIS技术,结合X射线衍射、紫外可见吸收谱、高分辨电镜和第一性原理理论计算等从原子分子水平上认识了铁基和钴基光电催化剂材料金属离子活性态结构及载流子转移路径,探索水在光电极表面的分解反应微观机理,为进一步优化设计和可控制备廉价高效稳定的过渡金属基光电极材料以及提高太阳能分解水制氢的能量转换效率提供实验基础和理论依据。从理论上提出一种通过形成“矢量迁移通道”的能级结构来引导光生载流子迁移的途径。通过在Fe2TiO5/TiO2之间形成载流子分离界面,成功地将光生空穴从材料内部定向迁移到表面催化反应活性位点,极大减小了水分解反应的过电势,使得Fe2TiO5-TiO2复合结构在400-600nm波长范围的量子转换效率高达40%以上,总的能量转换效率达到2.7%。并利用同步辐射X射线吸收谱学和电化学阻抗谱技术等证实了Fe2TiO5-TiO2界面的“矢量迁移通道”能级结构是实现光生载流子定向迁移的原因。设计了一种N-S阴阳离子共掺杂的改性模式,能够有效的传输TiO2基半导体光催化剂可见光激发的光生空穴。采用“原子尺度相转换”的方法获得了一种CoOOH二维超薄纳米片材料,大幅提升了材料在可见光区的载流子分离和转换效率,利用同步辐射XAFS等技术揭示了材料高活性的内在机制。研究工作丰富了人们对于二维金属氧化物半导体光催化水分解材料的维度、结构和性能之间的相互联系的认识,为进一步设计并提高过渡金属氧化物半导体催化剂的光催化水分解性能提供了新思路。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Aligned Fe2TiO5-containing nanotube arrays with low onset potential for visible-light water oxidation
对齐的含 Fe2TiO5 纳米管阵列,具有低可见光水氧化起始电位
DOI:10.1038/ncomms6122
发表时间:2014-10-01
期刊:NATURE COMMUNICATIONS
影响因子:16.6
作者:Liu, Qinghua;He, Jingfu;Wei, Shiqiang
通讯作者:Wei, Shiqiang
Realizing high visible-light-induced carriers mobility in TiO2-based photoanodes
在 TiO2 光电阳极中实现高可见光诱导载流子迁移率
DOI:10.1016/j.jpowsour.2013.11.057
发表时间:2014-04
期刊:Journal of Power Sources
影响因子:9.2
作者:He, Bo;Wu, Ziyu;Yan, Wensheng;Wei, Shiqiang
通讯作者:Wei, Shiqiang
Half-Unit-Cell alpha-Fe2O3 Semiconductor Nanosheets with Intrinsic and Robust Ferromagnetism
具有固有和鲁棒铁磁性的半晶胞 α-Fe2O3 半导体纳米片
DOI:--
发表时间:2014
期刊:Journal of the American Chemical Society
影响因子:15
作者:Xie, Zhi;He, Bo;Yan, Wensheng;Wei, Shiqiang
通讯作者:Wei, Shiqiang
DOI:10.1063/1.4954715
发表时间:2016-06-20
期刊:APPLIED PHYSICS LETTERS
影响因子:4
作者:Chen, Lin;Hu, Fengchun;Wei, Shiqiang
通讯作者:Wei, Shiqiang
DOI:10.1016/j.electacta.2013.11.138
发表时间:2014-02
期刊:Electrochimica Acta
影响因子:6.6
作者:Jingfu He;Yanhua Peng;Zhihu Sun;W. Cheng;Qinghua Liu;Yajuan Feng;Yong Jiang;F. Hu;Z. Pan;Q. Bian;Shiqiang Wei
通讯作者:Jingfu He;Yanhua Peng;Zhihu Sun;W. Cheng;Qinghua Liu;Yajuan Feng;Yong Jiang;F. Hu;Z. Pan;Q. Bian;Shiqiang Wei
COx小分子碳循环界面过程的原位红外谱学研究
  • 批准号:
    22241202
  • 项目类别:
    专项项目
  • 资助金额:
    270.00万元
  • 批准年份:
    2022
  • 负责人:
    刘庆华
  • 依托单位:
同步辐射表征和理论建模的先进能源材料研究
  • 批准号:
    12111530002
  • 项目类别:
    国际(地区)合作与交流项目
  • 资助金额:
    15万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    刘庆华
  • 依托单位:
同步辐射表征和理论建模的先进能源材料研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    国际(地区)合作与交流项目
  • 资助金额:
    --
  • 批准年份:
    2020
  • 负责人:
    刘庆华
  • 依托单位:
原位同步辐射红外技术研究光还原CO2反应的微观过程
  • 批准号:
    U1932212
  • 项目类别:
    联合基金项目
  • 资助金额:
    300.0万元
  • 批准年份:
    2019
  • 负责人:
    刘庆华
  • 依托单位:
Operando同步辐射技术研究光电催化剂表面水分解机理
  • 批准号:
    11875257
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    66.0万元
  • 批准年份:
    2018
  • 负责人:
    刘庆华
  • 依托单位:
原位同步辐射研究新型CoOx/TiO2光解水催化反应机理
  • 批准号:
    11105151
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    26.0万元
  • 批准年份:
    2011
  • 负责人:
    刘庆华
  • 依托单位:
国内基金
海外基金