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基于聚光“光-热耦合”的光电催化分解水制氢体系构建与机制研究

批准号:
52076177
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
陈玉彬
依托单位:
学科分类:
可再生能源与新能源转化利用
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
陈玉彬

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
光电催化分解水制氢是一种利用太阳能制取清洁燃料极具前景的技术,但目前低成本光电极、尤其是氧化物光阳极的研究进入了“瓶颈期”。以往光解水反应大多是在一个太阳光强、常温下进行,面临空间大、成本较高、光电转换效率和催化效率较低的限制。聚光会显著改变光电催化体系中光场、温度场等多物理场的分布,有望在光电极上形成高活性的“反应热点”。因此,本项目提出通过聚光产生的光-热效应协同提高光电催化分解水性能,首先单独研究光强(光效应)或温度(热效应)对不同光电极性能的影响机制,进而采用光热材料修饰光电极,探索聚光下光解水的“光-热耦合”作用机制。通过实验研究与理论建模相结合的方法认清聚光下多物理场分布特性,阐明光电极中光效应和热效应的匹配原则。通过光电极形貌、成分、微结构的设计耦合电解液工程,在聚光条件下利用光效应和热效应同时强化光吸收、载流子传输、界面反应、溶液传质,最终实现高效光电催化分解水体系的构建。
英文摘要
Photoelectrocatalytic water splitting is a promising technology for converting solar energy into clean chemical fuels. However, the development of low-cost photoelectrodes, especially oxide photoanodes, has currently encountered a "bottleneck". In the past, photoelectrocatalytic water splitting was generally carried out at room temperature under one-sun irradiation. Its application is restricted by the large space, relatively high cost, as well as low photoelectric and catalytic efficiencies. The concentrated light can change the multi-physics field (such as optical and thermal fields) in the photoelectrocatalytic system, which can lead to the generation of “hot spots” with high activities. Therefore, it is proposed that the photic and thermal coupling effects generated by concentrated light can be utilized to improve the performance of photoelectrocatalytic water splitting. In this project, the effects of light intensity (photic effect) and temperature (thermal effect) on the different photoelectrodes are first studied, respectively. Then the photoelectrodes modified by the photothermal materials are used to explore the coupling mechanism of photic and thermal effects during photoelectrocatalytic water splitting for hydrogen production under concentrated light irradiation. Through the combination of experimental and computational tools, the distribution characteristics of the multi-physics field under concentrated light can be recognized. In addition, the matching principle of the photic and thermal effects in the photoelectrode can be clarified. By designing the morphology, composition, and microstructure of the photoelectrode, together with the electrolyte engineering, the coupled photic and thermal effects can be used to simultaneously promote light absorption, carrier transport, interface reaction, and solution mass transfer, and eventually to construct highly efficient photoelectrocatalytic system for water splitting.
发展氢能对保障能源供应安全与建设低碳清洁的能源体系具有重要意义,而低成本绿氢制备是氢能发展的关键挑战之一。光电催化分解水制氢仅利用太阳能就可以将水分解成氢气和氧气,是利用可再生能源制取氢气的前沿方向。以往光解水反应多是在一个太阳光强、常温下进行,存在占地空间大、成本较高、光电转换和催化效率较低的问题。本项目旨在通过聚光“光-热耦合”效应突破上述限制,提高光电催化分解水性能。基于此,首先开发并制备了α-Fe2O3、BiVO4、Cu2ZnSnS4等一系列性能优异的低成本光电极材料,为研究提供了基础。进而建立了聚光光电催化体系多物理场仿真模型,认清了光电催化体系光场、温度场、电场等多物理场的分布特性。聚光对光电催化分解水制氢的影响主要体现在两个方面:光强和温度,即光效应和热效应。研究结果表明,聚光可以显著提升反应器和电极表面的温度。本项目分别探明了不同光强和不同反应温度下光电极的光电化学性能的变化规律,并分析了影响光电化学性能的主要影响因素,揭示光效应和热效应对光电催化分解水的作用机理。随着温度的提升,小极化子跃迁得到热激活,载流子浓度显著增加,载流子体相复合得到有效抑制,体相和界面载流子转移动力学均得到改善,尤其是界面载流子迁移率得到了有效提高。同时,光强的增强明显增加光电极的光电流密度,降低了其起始电位。但由于高倍光强下,光电极的光生载流子复合程度加重,光子浓度并未得到高效利用,导致归一化电流密度降低。因此,本项目进一步构建了“光-热耦合”的聚光光电催化体系,在光效应和热效应的共同作用下,BiVO4光电极的最佳归一化光电流密度在4倍太阳光强及60 ℃下获得,证明了光-热效应对光电催化分解水性能的协同促进作用。基于以上结果,项目执行期间在国际著名学术期刊上发表SCI论文21篇、在中文卓越科技期刊上发表论文2篇,在国内外学术会议上做特邀报告5次,申请国家发明专利5项、其中授权3项,培养博士毕业研究生2名、硕士毕业研究生6名。
基于聚光“光-热耦合”的光电催化分解水制氢体系构建与机制研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    --
  • 资助金额:
    58万元
  • 批准年份:
    2020
  • 负责人:
    陈玉彬
  • 依托单位:
Cu2ZnSnS4光电功能材料成分、结构和性能的自掺杂调控及其作用机制
  • 批准号:
    21606175
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    20.0万元
  • 批准年份:
    2016
  • 负责人:
    陈玉彬
  • 依托单位:
国内基金
海外基金