含氟水溶液中电化学刻蚀氟化WO3薄膜电极增强可见光光电化学性能

报道了在含氟的酸性水溶液中, 对电沉积制备的WO3薄膜电极进行电化学刻蚀, 并采用光电化学、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、光电子能谱(XPS)、紫外-可见漫反射光谱、光致发光(PL)等方法对电极进行了表征. 结果表明, 刻蚀使电极比表面积增大, 质量减少, 重要的是可使电极表面状态发生变化. 在相同催化剂质量和比表面积的条件下, 这种变化显著提高了WO3薄膜电极在可见光和紫外-可见光照下的光电转换性能. 机理研究表明, 电极光电化学性能提高可归因于刻蚀使电极表面发生氟化, 光生载流子表面复合中心数目减少, 平带电位负移. 刻蚀对电极的吸光性质和晶体结构等未检测出明显变化. 氟化电极在酸性中具有良好的光电化学稳定性.     

聚灿烂甲酚蓝修饰玻碳电极的制备及电化学性质

在含灿烂甲酚蓝的磷酸缓冲溶液中,用循环伏安法扫描.在经预处理的玻碳电极上形成了聚合物薄膜.在-0.7V-+0.9V(vsSCE)的扫描电位范围和弱碱性介质中形成的薄膜具有较高电活性和稳定性.制备好的聚灿烂甲酚蓝修饰电极在磷酸缓冲溶液的循环伏安曲线有两对氧化还原峰,峰电位随pH升高而向负电位方向移动.该电极对NADH的电化学氧化有催化作用,使其氧化电位负移了270mV并增大了氧化峰电流.     

TiO_2光电化学电池催化氧化甲基红

以钛基TiO2薄膜为光阳极,研究了光电化学电池中阳极光催化降解偶氮染料甲基红的动力学.结果表明,短接光电化学电池分隔了光催化过程的阴、阳极反应,有利于抑制光生载流子的复合,提高光催化氧化速率.相同实验条件下短路光电流越大,则甲基红降解速率越高.在基底和TiO2薄膜之间夹层SnO2得到组装电极Ti/SnO2/TiO2,进一步提高了光生载流子的分离效率;同时采用电化学阻抗谱(EIS)评价了电极的光催化性能.     

光电化学水氧化用多孔单晶金红石TiO_2纳米棒阵列光阳极的设计和构建（英文）

光电化学电池(如染料敏化太阳能电池、量子点敏化太阳能电池以及光电化学水分解电池)是实现太阳能转化及存储的有效手段之一.其中,光电极是光电化学电池的核心组成部分,它集光吸收、光生电荷输运及转移等决定光转化效率的关键过程于一身,因此构筑高活性半导体光电极以实现高效太阳能转化利用引起研究者广泛关注.多孔Ti O2纳米颗粒堆垛薄膜光阳极因具有大的比表面积,可提供更多的染料(量子点)担载和反应活性位点,在光电化学电池中表现出优异活性而被广泛研究.然而,TiO 2纳米颗粒间大量存在的晶界对光生电荷有较强的散射作用,降低了光生电荷的收集效率.英国牛津大学Snaith研究小组利用模板辅助水热过程首次获得了(001)晶面占优的多孔单晶锐钛矿Ti O2微米颗粒,这种多孔单晶Ti O2微米颗粒在具有大比表面积的同时,其单晶结构还能有效去除晶界对电荷的散射作用,因而具有优异的电荷输运特性.利用这种多孔单晶Ti O2微米颗粒组建的光阳极用于染料敏化太阳能电池中,展现出优异的太阳能光电转化性能.受该工作启发,各种形貌的多孔单晶Ti O2微米颗粒作为光催化剂和光电化学分解水用光阳极材料被广泛研究,并表现出优异活性.在单晶微米颗粒堆垛成的薄膜光电极中,虽然单个单晶微米颗粒中晶界对电荷的散射作用被有效抑制,但是单晶颗粒间的晶界仍然存在并影响光生电荷的收集效率.为了彻底抑制晶界对光生电荷的散射作用,每个单晶颗粒都应该贯穿整个薄膜,例如一维Ti O2纳米棒单晶阵列薄膜.虽然一维单晶阵列薄膜能够有效提高光生电荷的收集效率,但相对于多孔薄膜具有较小的比表面积,限制了担载染料(量子点)和反应位点的数量.为了增大TiO 2单晶纳米棒阵列薄膜的比表面积,目前主要的手段包括调控纳米棒长径比、表面修饰Ti O2纳米颗粒以及二次生长构建Ti O2枝晶阵列.本文首次提出通过制备多孔单晶Ti O2纳米棒单晶阵列薄膜来获得高比表面积和高光生电荷收集效率的光阳极,提高光电化学电池的效率.在透明导电薄膜(FTO)表面利用水热生长Ti O2纳米棒阵列薄膜之前,预先在FTO基体上沉积一层Si O2球密堆模板,Ti O2纳米棒单晶阵列在从FTO表面向上生长过程中,会将SiO 2球模板包裹进Ti O2纳米棒中,再通过碱溶液将Si O2球模板溶解,首次在FTO基体上原位生长出多孔单晶Ti O2纳米棒阵列薄膜.将所得多孔单晶金红石Ti O2纳米棒阵列薄膜作为光电化学分解水电池光阳极,其光电化学分解水活性相对于实心单晶金红石Ti O2纳米棒阵列提高了2.6倍.多孔单晶金红石Ti O2纳米棒阵列光阳极性能的提升可归因于:(1)多孔结构赋予多孔单晶金红石Ti O2纳米棒阵列薄膜更大的比表面积,可提供更多的反应活性位点;(2)多孔结构能够有效缩短单晶金红石Ti O2纳米棒中光生电荷体相输运距离,提高光生电荷的收集效率;(3)多孔结构通过对光多次反射吸收可有效增强光吸收,产生更多光生电荷参与水分解反应;(4)在制备过程中引入Si掺杂,导致多孔单晶金红石Ti O2纳米棒带隙扩大了0.1 e V,带隙增大归因于导带位置负移0.1 e V,光生电子具有更强的还原能力,光电流起始电位相应负移约0.1 V.     

纯锌电极上的表面增强拉曼光谱研究

通过化学刻蚀、电化学沉积和电化学氧化还原等粗糙方法,寻找合适的条件对锌电极表面进行预处理,以期获得吡啶在纯锌电极上的表面增强拉曼光谱(SERS).实验证明,电化学氧化还原处理是最佳的选择.以0.5mol/LNaClO4中性溶液作为电解质溶液,分别进行电化学氧化还原循环和电位阶跃两种处理.结果表明,将还原电位和氧化电位分别控制在-1.6和-0.7V时,利用共焦显微拉曼系统成功地得到了粗糙锌电极表面吸附吡啶的SERS信号.     

石墨烯修饰Y型TiO_2纳米管光电极制备及其对氨氮催化氧化性能

采用三步阳极氧化法和一步循环伏安电沉积法制备了还原氧化石墨烯(rGO)修饰的Y型TiO_2纳米管(rGO/Y-TiO_2NTs)电极。通过场发射电子扫描显微镜(FESEM)、X射线能谱(EDS)、X射线衍射(XRD)、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)及拉曼光谱(Raman)等对电极样品进行了表征。以rGO/Y-TiO_2NTs电极为光阳极,测试了不同循环伏安沉积圈数对电极光电流响应的影响,考察了在1.0 V偏压下电极对氨氮的光电催化氧化性能。结果表明,高度有序的Y-TiO_2NTs为锐钛矿型,具有大的比表面积,表面修饰平滑透明rGO薄膜后可显著提高其光电催化效率,沉积圈数为30时电极在30 min内对氨氮的光电催化氧化效率为95.9%。     

聚溴酚蓝修饰玻碳电极的制备及电化学性质

在含溴酚蓝的磷酸缓冲溶液中,应用循环伏安法于经预处理的玻碳电极上形成聚合物薄膜.结果表明,在-1. 0V~+1. 8V(vs.Ag/AgCl)扫描电位之间形成的薄膜具有较高的电活性和稳定性.该电极对抗坏血酸电化学氧化有催化作用,既使抗坏血酸的氧化电位负移了 270mV,又增大了其氧化峰电流.催化峰电流与抗坏血酸浓度在 2. 5~250μg/mL范围内呈良好的线性关系.     

锌铋合金电极在溶胶电解液中的电化学行为

锌电极的自腐蚀速率, 持续放电下的阳极溶解速率和电极钝化的难易程度是碱性电池性能的重要电化学参数. 本文应用线性极化、恒流放电等电化学实验方法研究了电解液中添加Carbopol树脂以及电极中添加Bi对锌电极电化学行为的影响. 并应用金相显微镜和环境扫描电子显微镜(ESEM)对锌电极和锌铋合金电极浸蚀及放电后的形貌进行了表征. 结果表明: 电解液中添加适量的Carbopol树脂可明显提高电极的极化电阻, 显著降低电极的自腐蚀速率; 阳极的溶解电位出现不同程度的正移, 阳极过电位显著增大且大电流密度放电时较明显促进电极钝化. 锌电极中添加一定量的Bi对改善电极表面氧化物膜的沉积形貌和电极表面固液界面的传质条件, 减小电极的自腐蚀速率, 抑制电极自腐蚀等方面具有显著作用.     

Rh多晶表面CO2还原过程的电化学和原位FTIR反射光谱研究

应用程序电位扫描法和电化学原位FTIR反射光谱从定量角度在分子水平 上研究了CO2在Rh电极上的电催化还原性能。红外光谱结果指出CO2还原的吸附产物为线型和桥式吸附态CO物种。在所研究和还原电位范围（－0．15－0．40V）和相同还原时间,CO2还原吸附物种的氧化电量随还原电位的负移而增大,在每个还原电位下,时间超过250s时都可达到一个相应的饱和值。原位红外光谱和电化学研究结果表明,CO2的还原与Rh电极表面氢吸附反应密切相关,同时需要一定数量相邻表面位的参与。因此生成的CO不能在Rh电极表面达到满单层吸附,而是形成均匀的亚单层分布。     

无定形氧化铁层在纳米多孔BiVO4的光电化学分解水反应中的作用

通过"人工光合成"过程,将太阳能转化成氢能的形式加以存储和利用,是替代传统化石能源的清洁能源的制备有效途径.其中,光电化学分解水是氢能制备的最有潜力的路径之一.n型BiVO4由于具有丰富的储量、较窄的带隙以及合适的能带位置,被称为光电化学领域的研究热点.然而,未修饰的BiVO4光阳极性能并不理想,主要原因在于载流子复合严重、导电性差以及表面催化动力学低等性质的制约.科研工作者们针对这些方面已进行了非常多的研究,例如与电子传输层的复合、产氧电催化剂的担载以及异质结的构建等.其中表面动力学和电荷分离的同时提升是更理想的改善BiVO4光阳极性能的方法.我们在上述研究基础上,采用光化学沉积法在纳米多孔BiVO4电极表面担载无定形氧化铁层,将电极在1.23 V vs.RHE电位下的光电流提升至2.52 mA/cm2,是初始光电化学性能的3倍.采用间歇光照计时电流(i-t)测试,电化学交流阻抗谱(EIS),X射线光电子能谱(XPS),原位和非原位的X射线精细结构能谱(in-situ and ex-situ XAFS)等表征手段研究了无定形氧化铁层的成分和光电化学反应过程中的价态变化,从而分析出光电化学性能提升的原因.间歇光照i-t测试和EIS测试结果表明,无定形氧化铁沉积在BiVO4使电荷累积减少,复合率降低.XPS测试结果发现无定形氧化铁层存在少量的二价铁成分.通过原位XAFS测试发现,BiVO4/FeOx电极中Fe原子的价态在光照和施加外加偏压条件下会有价态的升高,而撤去光照和偏压后Fe原子的价态状态与最初非原位的测试结果重合.这样的结果证明了无定型氧化铁层在光电化学反应过程中由于二价铁成分的存在,能够很好的通过价态改变实现空穴的吸附和传输,即吸附空穴,被空穴氧化成三价或四价,同时结合自身电催化活性,促进表面分解水反应的进行.而水的氧化反应结束时,则伴随着二价铁离子的再生成.这种反应机理为开发更高效的电催化剂,匹配光电极使用,有着重大的指导意义.     

BiVO4膜电极的制备及其光电化学性能

以自制的BiVO4纳米粉制备膜电极, 采用电化学方法较系统地研究了退火温度和膜厚对BiVO4膜电极的光电化学行为和电子输运与复合的影响. 结果表明: 退火温度和膜厚对BiVO4膜电极的光电特性有显著的影响. 膜厚为6.75 μm时, BiVO4膜电极具有最佳的光电化学特性. 退火温度低于500 °C时, 膜电极的光电活性随着温度的升高而增强, 至500 °C时达到最大值; 此后膜电极内的体相缺陷明显增加, 导致其光电活性逐渐降低. BiVO4膜电极有良好的可见光光电转换效率, 并利用其单色光转换效率曲线计算得到BiVO4的带隙为2.36eV, 采用莫特-肖特基电化学法测得其平带电位为-0.7 V (vs Ag/AgCl). 上述结果为BiVO4光催化体系的优化提供了重要的参考.     

Electropolymerization of <Emphasis Type="Italic">trans</Emphasis>-[RuCl<Subscript>2</Subscript>(vpy)<Subscript>4</Subscript>] complex—EQCM and Raman studies

The electropolymerization of trans-[RuCl₂(vpy)₄] (vpy=4-vinylpyridine) on Au or Pt electrodes was studied by cyclic voltammetry, electrochemical quartz crystal microbalance (EQCM) technique, and Raman spectroscopy. Cyclic voltammetry of the monomer at a microelectrode shows the typical Ru(III/II) and Ru(IV/III) waves, together with the vinyl reduction waves at −1.5 and −2.45 V and adsorption wave at −0.8 V. Electrodeposition on EQCM technique performed under potential cycling between −0.9 and −2.0 V revealed that the polymerization proceeded well in advance of the vinyl reduction waves. At potentials more positive than −0.9 V, soluble oligomers were deposited irreversibly on the electrode during the oxidative sweep. The film also showed reversible mass changes due to the oxidation and accompanying ingress of charge-balancing anions and solvent into the film. In contrast, potentiostatic growth of the polymer at −1.6 V was slower because the oligomeric material was lost completely from the electrode. Unreacted vinyl groups were detected by in situ Raman spectroscopy for films grown at −0.7, −0.9, and −1.6 V but were absent when the polymerization was carried out at −2.9 V vs Ag/Ag⁺.     

Efficient and stable photo-oxidation of water by a bismuth vanadate photoanode coupled with an iron oxyhydroxide oxygen evolution catalyst

BiVO(4) films were prepared by a simple electrodeposition and annealing procedure and studied as oxygen evolving photoanodes for application in a water splitting photoelectrochemical cell. The resulting BiVO(4) electrodes maintained considerable photocurrent for photo-oxidation of sulfite, but generated significantly reduced photocurrent for photo-oxidation of water to oxygen, also decaying over time, suggesting that the photoelectrochemical performance of BiVO(4) for water oxidation is mainly limited by its poor catalytic ablity to oxidize water. In order to improve the water oxidation kinetics of the BiVO(4) electrode, a layer of FeOOH was placed on the BiVO(4) surface as an oxygen evolution catalyst using a new photodeposition route. The resulting BiVO(4)/FeOOH photoanode exhibitied significantly improved photocurrent and stability for photo-oxidation of water, which is one of the best among all oxide-based phoatoanode systems reported to date. In particular, the BiVO(4)/FeOOH photoanode showed an outstanding performance in the low bias region (i.e., E < 0.8 V vs RHE), which is critical in determining the overall operating current density when assembling a complete p-n photoelectrochemical diode cell. The photocurrent-to-O(2) conversion efficiency of the BiVO(4)/FeOOH photoanode is ca. 96%, confirming that the photogenerated holes in the BiVO(4)/FeOOH photoanode are indeed excusively used for O(2) evolution.     

TiO2-MoO3复合纳米管阵列薄膜的制备及其可见光活性

通过阳极氧化的方法制备TiO₂纳米管薄膜, 在MoO₃存在的条件下对该薄膜进行热处理得到TiO₂-MoO₃复合纳米管阵列薄膜. 利用X射线衍射(XRD), 扫描电子显微镜(SEM), X射线光电子能谱(XPS), 电化学阻抗谱(EIS), Mott-Schottky 及光电化学方法对得到的薄膜进行了表征. XRD结果表明, TiO₂-MoO₃复合纳米管薄膜中的TiO₂主要为锐钛矿晶型. SEM实验证实了薄膜纳米管结构的存在, 样品中的MoO₃均匀地分散在TiO₂纳米管表面. 利用XPS方法分析了TiO₂-MoO₃复合纳米管薄膜元素的组成, 结果表明, MoO₃在TiO₂表面形成TiO₂-MoO₃复合纳米管薄膜. 研究了热处理温度以及热处理时间对样品的光电化学性能的影响, 相对于单纯TiO₂纳米管薄膜, 适量引入MoO₃提高了样品在可见光区的光电响应能力, 样品的平带电位负移. 在450 °C热处理60 min制得的TiO₂-MoO₃复合半导体纳米管阵列薄膜光电响应活性最高.     

Photoelectrochemical oxidation behavior of methanol on highly ordered TiO2 nanotube array electrodes

The highly ordered titanium dioxide nanotube array (HOTDNA) electrodes were prepared in hydrofluoric acid solution by electrochemical anodic oxidation technique on a pure titanium sheet. The HOTDNA electrodes were characterized by X-ray diffraction, SEM microscopy, and UV–vis spectra. It has shown high density, well ordered and uniform titanium dioxide nanotube array film covered on these electrodes and the TiO₂ structure depending on the heating condition, the anatase phase of TiO₂ appeared when heating to 500 °C. The photoelectrochemical characteristics of methanol in 0.5 M Na₂SO₄ on the HOTDNA electrodes were investigated. The cyclic voltammetry, photocurrent-time and open-circuit photopotential response of methanol on the HOTDNA electrode were represented and significant photogenerated current was observed upon illumination in the UV regions with the light of 253.7 nm central wavelength. The effect of variables such as light intensity, applied potential, and methanol concentration on the photoelectrochemical response was investigated. It was found that the photocurrent was greatly influenced by these factors.     

用于光电化学氧化氯酸盐的钒酸铋光电阳极的合成与表征

采用便捷的涉及电沉积和退火过程的两步法在F掺杂的氧化锡基体上制备了高品质的多晶钒酸铋(BiVO4)薄膜,并运用扫描电镜、透射电镜、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱、紫外-可见光吸收光谱和拉曼光谱表征了所制薄膜的形貌和结构特征.XRD和光学分析结果表明,BiVO4薄膜为纯相的单斜白钨矿晶相结构.将该薄膜通过电化学(EC),光化学(PC)和光电化学(PEC)过程用于水溶液中氯酸离子的多相氧化反应中.采用紫外-可见吸附光谱仪监测氯酸盐浓度的降低.结果发现,在光的照射下采用PEC法时,BiVO4可有效催化氯酸盐的氧化.氯酸盐氧化反应级数为1级,PEC过程的反应速率常数明显高于EC和PC过程的.同时,提出了基于形成了高氯酸离子的催化氧化氯酸盐的反应机理.     

Photoelectrochemical decomposition of water into H2 and O2 on porous BiVO4 thin-film electrodes under visible light and significant effect of Ag ion treatment

The photoelectrochemical properties of porous BiVO4 thin-film electrodes on conducting glass for H2 production from water under visible light were investigated. BiVO4 films were prepared by the metal-organic decomposition method, and particles were 90-150 nm in diameter. Under visible-light irradiation, H2 and O2 evolved in a stoichiometric ratio (H2/O2 = 2) from an aqueous solution of Na2SO4 with an external bias. The photocurrent increased with addition of methanol. The band structure of BiVO4 was investigated by open-circuit potential, flat-band potential, X-ray photoelectron spectroscopy, and calculations based on density functional theory. The top of the valence-band potential of BiVO4 was shifted negatively compared to the potentials of the conventional oxide semiconductors without Bi. We surmise that hybridization between the O-2p and Bi-6s orbitals might contribute to the negative shift of the BiVO4 valence band. Treatment with an aqueous solution of AgNO3 improved the photocurrent of the BiVO4 electrode significantly. The maximum incident photon-to-current conversion efficiency at 420 nm was 44%. This value was the highest among mixed-oxide semiconductor electrodes under visible light irradiation. AgNO3 treatment also improved the stability of the photocurrent. The Ag+ ion in/on the BiVO4 catalyzed the intrinsic photogeneration of oxygen with the holes.     

NiFe双氢纳米粒子有效提高BiVO4光阳极光电化学水分解性能

近年来, 太阳能驱动的光电化学水分解作为一种高效、环保、可持续的技术, 已经引起了广泛的关注. 为了更好地使用光电化学技术将太阳能转化为化学能, 至关重要的是提高光电极材料的光吸收和光转化效率. BiVO4禁带宽度(Eg=2.4-2.5 eV)小, 具有很好的可见光响应能力, 因此BiVO4光电极材料引起了广泛关注. 但是, 当单独BiVO4作为光电阳极材料时, 电子-空穴对分离弱、载流子传输慢, 从而使BiVO4不能很好地在光电化学水分解中发挥作用. 为了缓解或解决此类限制性因素, 本课题组通过水热法合成了NiFe双氢纳米粒子, 并将其负载于BiVO4电极表面, 光电催化分解水实验表明其产氢效率得到大幅度提高. 同时制备了Ni(OH)2/BiVO4和Fe(OH)2/BiVO4电极并用于研究NiFe/BiVO4电极的反应机理. 在上文基础上, 本文采用电子扫描电镜(SEM)、高分辨投射电镜(HRTEM)、X射线衍射(XRD)、紫外可见漫反射(UV-Vis DRS)等表征手段和线性扫描伏安法(LSV)和电流时间(I-t)等对其光电化学活性进行了测试, 研究了NiFe/BiVO4电极在发生水氧化时的反应机理. SEM结果表明, Ni(OH)2是以纳米片组成的纳米球负载于多孔BiVO4表面; 而当Fe(OH)2负载于BiVO4表面时, BiVO4的纳米尺寸减小; NiFe-LDH纳米粒子负载于BiVO4表面时, 可以明显看见BiVO4纳米颗粒表面包裹着一层更小的纳米粒子.这证明了Ni(OH)2, Fe(OH)2和NiFe-LDH纳米粒子均成功负载于BiVO4表面. 这也得到HRTEM结果的确认. UV-Vis DRS结果表明NiFe-LDH纳米粒子能有效拓宽BiVO4的吸收边, 从而增加对可见光的吸收, 增加了对光的利用率. LSV测试结果表明, 暗反应条件下Ni(OH)2/BiVO4比NiFe/BiVO4和Fe(OH)2/BiVO4电极的起始电位更低, 说明Ni(OH)2有更好的传输电子性能; 而在光照条件下, 在同一电位时NiFe/BiVO4比Ni(OH)2/BiVO4和Fe(OH)2/BiVO4电极的光电流值更高. 值得注意的是, 此时Ni(OH)2/BiVO4比Fe(OH)2/BiVO4电极的光电流值低, 这又说明Fe(OH)2比Ni(OH)2对光更敏感. 因此当NiFe-LDH纳米粒子负载于BiVO4表面时, 不仅提高了BiVO4光电极的光吸收效率, 而且加速了载流子的传输从而抑制了光生电子-空穴的复合, 使反应过程中的量子效率得到提高.