可见光响应的锡氧化物及其光电化学分解水的研究

光电化学（PEC）分解水是获取氢能，实现太阳能-氢能转换过程最为理想的途径之一，其首要研究工作是开发可见光响应光催化剂。当前很少有光催化剂能同时满足带隙、带边位置、效率和稳定性的要求。在申请者前期研究中，通过溶剂热法合成了可见光响应的SnO2基光催化剂, 吸收边达570nm左右。在光电化学分解水性能测试中，展示了近mA/cm2级的光阳极电流（λ>420nm）。在本研究中，将进一步展开材料制备（优化前躯体、溶剂、反应温度，时间、热处理），利用各种表征手段进行结构组成、表面特性等表征，以及光电化学分解水的性能测试实验工作。特别是通过系列控制实验、表征手段以及基于密度泛函理论的第一性原理计算明确其可见光响应机理，从而构建微观电子结构和宏观光吸收特性、光催化活性之间的关系。对于价廉易得的宽带隙SnO2（3.6-3.8 eV），通过简单易行的方法使其可见光响应具有重要理论和应用意义。

本项目按照计划书中所设定的研究方案和目标，紧密围绕新型可见光响应的光催化剂的开发，开展了材料制备、结构表征和光光电化学/光催化分解水活性测试等实验工作，如期完成了计划书中所约定的研究内容并达到了预期目标。主要成果摘要如下：.（一）：由锡的氯化物前驱体，通过水热法合成了具有可见光响应的SnO2，吸收边达到570nm，对应于2.17eV的带隙。同时通过XRD，UV-Vis，TG，PL，SEM等表征手段对所获得的样品进行了表征。 通过电泳沉积方法制备成光电极（FTO或者金属Ti基底），在可见光下（λ> 420 nm）的光电化学测试中，展示了较高的光阳极电流（近mA/cm2）以及较负的起始电位（小于 0 V Vs. RHE）。另外光解水活性测试中（粉体）也展示了较高的产氢和产氧半反应活性（分别在电子供体CH3OH和受体AgNO3中的参与下）。 光电化学和光催化活性表明该可见光响应的SnO2具有适宜的带隙以及带边位置满足光电化学分解水的电极电位需要.（二）：利用氯化亚锡的醇溶液直接在FTO或者金属Ti基体上浸渍法获得了锡基氧化物(SnO2)的光电极薄膜。该锡基氧化物薄膜在光电化学分解水的测试实验中，于可见光下（λ> 420nm), 在没有任何修饰改性及助催化剂的担载下，展示了明显的光阳极电流，达到近mA/cm2，并且其起始电位（on-set potential)负于还原H2O的电极电位，通过I-T曲线表明该光电极材料具有一定的稳定性。.（三）：通过系列控制实验、表征分析以及第一性原理计算表明上述两种方法制备的锡基氧化物的可见光响应机理可能源于Sn4+/Sn2+之间的转化及表面氧缺陷的共同作用结果，由上述可见光响应机理也可解释其稳定性较差的原因。.（四）：本研究工作通过简单易行的方法使价廉易得的宽带隙SnO2（3.6-3.8 eV）具有可见光响应特性并在可见下（>420nm）具有较高的光电化学/光催化分解水活性，该研究工作展现了较好的创新成果和一定的理论和实践意义。虽然取得了较好的研究成果，但是也发现很多更待进一步研究的工作，如通过更多的控制实验以及超时间、空间分辨手段上深入揭示其可见光响应机理以及稳定性和量子效率的提高等问题。. 在该项目基金的资助下，已经公开发表SCI收录论文4篇，中文1篇，待发表SCI论文2篇，申报国家发明专利1项，培养硕士研究生4人。

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