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梯度自掺杂纯相CuBi2O4光电极的可控构筑及其载流子迁移机制研究

批准号:
61904167
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
25.0 万元
负责人:
汪福宪
学科分类:
半导体材料
结题年份:
2022
批准年份:
2019
项目状态:
已结题
项目参与者:

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项目成果

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中文摘要
CuBi2O4是一种新型的光电极材料,理论光电流密度高达19mA/cm2,而光电分离效率低是制约其发展的最关键因素。通过梯度自掺杂创建内建电场是促进其光电分离的有效途径,然而现有的梯度自掺杂技术依赖热扩散、可控性差、易出现相分离,严重制约了该技术的发展。此外,梯度自掺杂薄膜载流子迁移机制尚缺乏理论研究。本项目提出功率渐变磁控溅射法,拟通过分别控制Cu和Bi的溅射功率渐变,实现从薄膜底部至顶部Cu/Bi浓度梯度的可控调节,在抑制相分离的前提下,创建贯穿整个梯度自掺杂CuBi2O4光电极薄膜的内建电场;并在揭示梯度自掺杂对光电极薄膜内建电场及光电分离影响机制的基础上,建立梯度自掺杂光电极薄膜载流子传输及光电流计算数学模型。研究成果将为梯度自掺杂半导体薄膜的制备提供简单经济、容易调控的新方法,为梯度自掺杂光电极薄膜的定向优化提供理论指导,并促进其在光电催化领域的实际应用。
英文摘要
CuBi2O4 has emerged as a photoelectrode material due to its high theoretical photocurrent density of 19 mA/cm2. However, the photoelectrocatalytical property of CuBi2O4 is largely limited by its poor charge separation. Gradient self-doping is an elegant way to improve the charge separation in CuBi2O4. However, the current gradient self-doping technique, based on high temperature diffusion-assisted reaction, is severely hampered by the limited thermal diffusion coefficient, poor controllability, and phase segregation. Moreover, the charge transfer mechanism in gradient self-doped photoelectrode remains unclear and lacks theoretical research. In this proposal, a new strategy of using gradient sputtering power to realize gradient self-doping is proposed. The Cu/Bi change from the bottom to the top of the film can be created by separately varying the power supply of Cu and Bi. Electric field across the entire film will be created in the phase-pure gradient self-doped CuBi2O4. The effect of gradient self-doping on the built-in electric field and charge separation will be revealed, and correspondingly a new mathematical model about the carrier transfer in gradient self-doped photoelectrode will be developed. The research findings are expected to provide an economic and controllable approach to realize gradient self-doping, offer new insights into the mechanisms of charge transfer in gradient self-doped photoelectrode, and promote its practical application in photoelectrocatalysis.
项目背景:Bi2O3、CuBi2O4、BiFeO3、CuV2O6等金属氧化物和C3N4、CoMo2S4等材料因价格低廉,性能易调控,在光电催化、光电传感等领域展现出巨大的应用潜力。然而,他们的可控构筑工艺有待开发,载流子传输机理也有待研究。本项目实现了精准的金属氧化物相调控和薄膜的离子浓度可控调节;揭示了金属氧化物中载流子的传输机制及光电流损失机制;探索了金属氧化物在光电传感、光电催化以及光电逻辑门电路方面的应用;开发了C3N4、CoMo2S4等催化剂,并研究了其光催化CO2还原,电催化制氢性能。.主要研究内容、结果及意义:(1)采用磁控溅射制备了Bi2O3,发现通过控制反应溅射过程中的氧气分压可以调控Bi2O3的表面态。首次发现了Bi2O3随光强非单调变化的开路电压,揭示了表面态对开路电压信号的影响机制,并基于此构建了新型的不依赖器件尺寸的可重构逻辑门电路。(2)基于Bi2O3的p-n转变特性,开发了抗干扰的柔性可穿戴pH汗液检测器,信噪比相比于传统的检测器高出一个数量级,实现了运动过程中汗液pH的准确实时监测。(3)开发了超快水热法,制备了四方晶型的CuBi2O4催化剂,研制了CuBi2O4/BiFeO3复合光催化剂,促进了光生载流子的分离和传输,获得了光催化性能优异的异质结催化剂。(4)通过直流反应磁控溅射法制备了CuV2O6光电极,发出基于 CuV2O6 的光电传感器,揭示了CuV2O6 独特的自钝化特性,并将其应用于 L-精氨酸、CEA 和 AFP 的检测。(5)采用磁控溅射制备了纯相CuBi2O4, 设计了一种纳米结构的Bi2O3,将其作为FTO和铋酸铜的中间层,增强了CuBi2O4的光吸收和载流子传输,制备了响应度高的光电探测器。(6)开发了光催化还原CO2协同乙醇氧化制乙醛体系,实现还原半反应和氧化半反应的全利用,同时还原半反应和氧化半反应均得能到同一种C2产物,实现高效光催化制CH3CHO。(7)采用硬模板法制备了CoMo2S4电催化剂,揭示了Co对于提升MoS2电子传输的作用机制,获得了导电率高、性能优异的CoMo2S4电解水制氢催化剂。.
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
DOI: 10.1021/jacs.2c13873
发表时间: 2023-02
期刊: Journal of the American Chemical Society
影响因子: 15
作者: [Boheng Dong;Xinya Zhang;Xiang Jiang;Fuxian Wang]
通讯作者: Boheng Dong;Xinya Zhang;Xiang Jiang;Fuxian Wang
Regulating the *OCCHO intermediate pathway towards highly selective photocatalytic CO2 reduction to CH3CHO over locally crystallized carbon nitride
调节 OCCHO 中间途径,在局部结晶氮化碳上实现高选择性光催化 CO2 还原为 CH3CHO
DOI: 10.1039/d1ee02073k
发表时间: 2021-11-16
期刊: ENERGY & ENVIRONMENTAL SCIENCE
影响因子: 32.5
作者: [Liu, Qiong, Cheng, Hui, Wang, Fuxian]
通讯作者: Wang, Fuxian
Edge functionalization of terminal amino group in carbon nitride by in-situ C-N coupling for photoreforming of biomass into H2
通过原位 C-N 偶联对氮化碳中的末端氨基进行边缘功能化,将生物质光重整为 H2
DOI: 10.1016/j.cej.2019.123792
发表时间: 2020-03-01
期刊: CHEMICAL ENGINEERING JOURNAL
影响因子: 15.1
作者: [Liu, Qiong, Wei, Liling, Wang, Fuxian]
通讯作者: Wang, Fuxian
Self-passivated CuV2O6 as a universal photoelectrode material for reliable and accurate photoelectrochemical sensing
自钝化 CuV2O6 作为通用光电极材料,可实现可靠、准确的光电化学传感
DOI: 10.1039/d1cc02891j
发表时间: 2021
期刊: Chemical Communications
影响因子: 4.9
作者: [Boheng Dong, Tingting Sun, Xiang Jiang, Pengran Guo, Guofen Yang, Fuxian Wang]
通讯作者: Fuxian Wang
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    全固态Bi2O3光电XOR异或逻辑门的构建及其响应机制研究
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