石墨相氮化碳电极制备及光电化学分解水性能调控研究

The exploitation of new photoelectrode materials with visible light response is of great significance to the development of photoelectrochemical water splitting. In view of the poor conductivity and wide band gap of graphitic carbon nitride (g-C3N4) photoelectrode, in this project, g-C3N4 is controlled to dope with S, P and other elements by the two-step vapor deposition method developed in the previous stage to adjust the light absorption capacity and conductivity of g-C3N4. On this basis, the photosensitizer/g-C3N4 composite system will be constructed with carbon quantum dots as photosensitizer to further improve its light absorption capacity and improve its photoelectrochemical properties. The influences of preparation methods and conditions on the concentration and distribution of elements will be studied, and the laws of the influence of doped elements on the carrier concentration and light absorption range of the polymer semiconductor will be explored. The effect of photosensitizer on the light absorption performance of g-C3N4 will be studied, and the light absorption range will also be further improved to obtain a high-performance g-C3N4 based photoelectrode. The carrier reaction kinetics and charge separation efficiency of g-C3N4 based materials will be studied by transient absorption spectroscopy and other techniques, and the working mechanism of regulating light absorption and charge separation performance by element doping and photosensitizer modification will be clarified. The implementation of this project will effectively promote the application of g-C3N4 in the field of photoelectrochemical water splitting, and provide an important reference for the design and efficiency improvement of photoelectrode.

开发具有可见光响应的新型光电极材料对于光电化学分解水技术的发展具有重要意义。针对石墨相氮化碳（g-C3N4）光电极导电性差、带隙宽等问题，本项目采用前期开发的二次气相沉积法对g-C3N4进行S, P等元素可控掺杂，调节其光吸收能力和导电性。然后，以碳量子点等作为光敏化剂构建光敏化剂/g-C3N4复合体系进一步改善g-C3N4的光吸收能力和光电化学性能。研究制备方法、条件对元素浓度和分布的影响，揭示掺杂元素对载流子浓度、光吸收范围的影响规律；研究光敏化剂对g-C3N4性能的影响，进一步提高光吸收范围,获得高性能的g-C3N4光电极。利用瞬态吸收光谱等技术研究g-C3N4基材料的载流子反应动力学和电荷分离效率，阐明元素掺杂和光敏化剂修饰调节光吸收、电荷分离性能的工作机制。本项目的实施将有效推动g-C3N4在光电化学分解水领域的应用，也将为光电化学分解水材料的设计和效率的提升提供借鉴。

开发具有可见光响应的新型光电极材料对于光电化学分解水技术的发展具有重要意义。石墨相氮化碳（CN）作为一种新型具有可见光响应的光电极材料引起了研究者的广泛关注。.针对目前高质量CN薄膜电极难以制备的问题，本项目发展了一种近空间单体共聚合CN薄膜制备技术。研究结果表明单体的选择对薄膜的制备和形貌的调控具有关键作用。该技术制备的CN薄膜与FTO基底具有良好的结合且生成的纳米结构薄膜均匀致密，另外薄膜的厚度在很大范围内可以连续调控。进而建立了“共聚合反应条件-电极结构-光电性能”之间的内在联系。在此基础上，通过滴涂和热处理工艺实现了B，P等非金属元素掺杂型CN薄膜电极的制备，获得了其工艺参数对材料结构、形貌、光吸收范围等影响规律及其对电荷分离、载流子反应动力学之间的内在关联，有效提升了CN材料的光电流密度。值得说明的是，掺杂后的CN薄膜显示出较低的开启电位（相对于可逆氢电极约为0 V，为论文发表时的最低值），实现了无偏压光解水。.将CN与光/电催化剂复合是提升半导体材料光电催化性能的重要方法，其中合理的结构调控和复合对提高催化剂的性能具有重要意义。该项目探究了碳基电催化复合析氧材料的结构调控及其对电催化性能的影响。利用新的锑盐调制策略来合成CoSb/NC催化剂。Sb的蒸发可以调节CoSb/NC的粒径和孔结构，从而加快传质/电荷传输，增加活性位点的利用率。CoSb/NC展示出析氧活性，在10 mA cm−2时过电位为430 mV。另外，在碳纤维纸基板上原位生长了一种由氮掺杂碳包裹Co1-xS纳米针组成的3D 阵列结构催化剂。Co1-xS与NC之间的强电子耦合，以及3D阵列结构，使Co1-xS@NC展现出优异的OER催化活性和长期稳定性，并可与贵金属和其他报道的最先进的双功能氧电催化剂相媲美。在电流密度为10 mA cm−2时，ORR半波电位(0.86 V vs RHE)和OER电位(1.52 V vs RHE)。.项目的开展为CN基电极微观结构和性能的调控奠定了坚实的基础，为后续进一步提升CN光电极性能提供参考。

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