原位电化学调控钨基材料内建电场提升光电催化性能
批准号:
52104292
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
胡宇翔
依托单位:
学科分类:
冶金物理化学与冶金原理
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
胡宇翔
中文摘要
以WO3、WSe2等为代表的钨基难熔金属化合物有望被广泛应用于光电催化中,近年来人们虽然从优化材料晶体结构和组成、调节半导体/溶液界面等方面取得了诸多突破,但其光电转化效率仍受制于较弱的内建电场驱动力。本项目提出了结合光电催化与充电电池机理构建额外体相内建电场并提升光电催化性能的新思路。通过原位电化学调控(锂化)的方式,利用金属离子电池(如锂离子电池)原理,精确可控地嵌入金属离子来诱导钨基材料的晶格扭曲并产生偶极矩,实现在整体光电极上形成额外的体相内建电场,促进电荷高效地分离和传输,进而大幅提升整体光电转化效率。在此基础上,本项目还将结合原位同步辐射表征和理论计算,阐明光电极的宏观电场与光生电荷分离与传输以及光电催化效率的构效关系,为体相内建电场优化调控光电催化性能的理论研究奠定基础,实现构建高效的钨基难熔金属光电催化材料并提供新的思路和方向。
英文摘要
As the representative of tungsten-based compounds, WO3, WSe2 and etc, are promising photoelectrodes in photoelectrochemical (PEC) reaction. Although many achievements have been made in the micro-structure and the adjustment of the photoelectrode/electrolyte interface to enhance built-in electric field in refractory metal-based photoelectrodes, the PEC performance is still limited by insufficient driving force for charge separation and transfer (CST). Herein, this project proposes, for the first time, a rational approach to design built-in electric field in the bulk of a tungsten-based photoelectrode by combining PEC process and an in-situ electrochemical (lithiation) process in the metal-ion (such as lithium ion) batteries discharge process. The inserted lithium-ion induces the lattice distortion and dipole moment with built-in electric field in bulk, which greatly facilitates the CST with improved overall PEC performance. Moreover, this project will conduct in-situ characterization, such as in-situ synchrotron and simulation to clarify the relationship between the electric field of the photoelectrode in bulk and CST/PEC performance, which is seldom investigated. Benefiting from the in-situ electrochemical exploration and basic theoretical study, this project will pave new path and direction towards the construction of high-efficiency tungsten-based photoelectrodes.
光电催化是实现太阳能转化成可再生能源的重要储能技术,材料的光吸收效率、电荷分离传输效率以及表面反应效率等因素直接影响着光电催化反应的整体效率,其中又以电荷分离传输效率最为关键。目前难熔金属类化合物尤其以WO3为代表的钨基材料具备化学稳定性高、空穴扩散距离长及禁带宽度适中等优点,被广泛应用于光电催化反应。但受限于电荷分离传输效率低导致的光电催化效率低下的问题,WO3基光电催化材料在光电催化中的应用中仍然面临较大挑战。针对上述问题,本项目通过构筑内建电场的方式来提升WO3基光电催化中的电荷分离传输效率,建立了不同构筑策略影响其性能机理内在联系,获得了高性能钨基光电催化材料:首先系统研究了高性能WO3基体的制备工艺,在此基础上通过对原位电化学嵌锂和嵌铝后WO3光电催化性能表征,明确了嵌入离子半径与WO3晶格间隙体积及引发晶格畸变程度的作用关系,指导选择合适的插入离子。率先利用液态金属实现了快速原位可控氢插入WO3构筑体相内建电场提升光生电荷的分离和传输驱动力。基于氢插入构筑的具有体相内建电场的WO3光电极的光电流密度高达3.83 mA cm-2,接近WO3的理论光电流密度,相比于纯WO3性能提升229 %,并将此方法拓展到其他难熔金属氧化物中,证实了普适性。进一步地,通过在WO3表面引入典型半导体Fe2O3或C3N4,于界面处构筑界面内建电场,以系统性研究内建电场提升光电催化性能的机制:构筑内建电场有效提升光催化剂的电导率、载流子浓度,其中构筑体相内建电场更能利于电子的分离传输,提升催化性能。在基本完成既定研究目标的基础上,合成了一系列具有界面内建电场的WO3基异质结光阳极,同具有体相内建电场的H-WO3光阳极一起拓展应用于I-/I3-的氧化和Zn-I2电池性能的提升中。明晰了内建电场类型与催化剂稳定性对促进I-/I3-光催化转化的机制以及对光电催化的应用场景进行进一步拓展。通过本项目的研究为高性能WO3基光电催化剂的设计及应用提供了理论基础和技术指导。
水系铝电池负极合金化调控及表界面改性研究
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批准号:52374295
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项目类别:面上项目
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资助金额:50.00万元
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批准年份:2023
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负责人:胡宇翔
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依托单位:
国内基金
海外基金