纳米结构氢氧化镍基光致储能体系的构筑及其性能研究

针对半导体光催化剂能量输出的间歇特性与能量持续需求的矛盾，本项目拟将产生光电效应的氧化钛半导体电极与氢氧化镍储能电极有机结合起来，构筑光致储能体系并对其性能进行改进与调控。以涂覆在导电玻璃等导电材料表面的多孔纳米结构氧化钛薄层为基体，应用电化学沉积法制备纳米结构氧化钛-氢氧化镍复合薄膜，研究电沉积条件与沉积膜的组成、结构和光致储能行为的关系；通过优化电解液的组成和性质，改进储能体系的光致储能行为；构筑光致氧化性和还原性能量储存的耦合体系，弄清其耦合作用机制；明确外加偏压对体系光致储能行为的影响规律。在此基础上，构筑具有可见光响应的纳米结构改性氧化钛-氢氧化镍基光致储能体系，探索在可见光辐射下体系光致储能行为的规律。通过上述研究，力图阐明关键因素对氧化钛-氢氧化镍基光致储能体系性能的影响规律，从而为高效氢氧化镍基光致储能体系的发展奠定基础。

二氧化钛光催化剂因其在太阳能光伏电池、污染物去除、水分解和金属保护等领域的应用而日益受到关注。在紫外光辐射下，在二氧化钛表面形成的光生电子和空穴能够分别引起还原和氧化反应的发生，从而导致了二氧化钛在前述领域的应用。然而，其上述功能只有在光照时才会发生作用。为了在暗态下延续其功能，本项目通过将二氧化钛与一种氧化还原活性的半导体材料耦合的方法，发展了具有能量储存能力的光催化剂复合体系。系统研究了所构建体系的光引起的能量储存与转化行为，获得了如下具有创新性的研究成果。.（1）采用阴极沉积法制备了纳米多孔结构的二氧化钛–氢氧化镍双层电极，探明了沉积液中碱浓度含量、氢氧化镍膜的表面结构等因素对在紫外光辐射的催化剂表面产生的氧化性能量（空穴）在氢氧化镍膜中储存行为的影响规律，并提出了在开路状态下光引起的氧化性能量储存机制。.（2）以通过水热合成得到的二氧化钛纳米棒阵列膜为基体，采用电沉积方法制备了一种具有新颖纳米结构的二氧化钛–氢氧化镍双层电极。在与相同溶液中的铂电极耦合后，所制备的双层电极显示了优异的光引起的氧化性能量储存性能，表观量子产率可高达6.8%；而且双层电极的光致氧化性能量储存与暗态下电化学放电过程可以重复进行。研究还发现了光敏电氧化新现象，即在光辐射下，氢氧化镍的氧化可以在远低于其暗态下氧化还原电位的电位下进行。.（3）通过将二氧化钛–氢氧化镍复合膜电极与三氧化钨纳米片阵列电极耦合的方法，构建了一种新型的光致能量储存体系。利用所构建的体系，首次实现了光辐射引起的氧化性（空穴）和还原性（光生电子）能量的同时储存，表观量子产率为7.8%。两种膜电极的耦合降低了光生电子与空穴的复合，并有效减少了光生电子对NiOOH的还原。首次提出了光引起的氧化性和还原性能量的同时储存机制。.（4）以二氧化钛纳米阵列电极为基体，采用一种新颖的光沉积技术制备了三维纳米多孔NiOOH复合膜。在光沉积过程中，溶液中Ni（II）离子被光生空穴氧化为Ni（III）离子，并最终导致NiOOH在二氧化钛基体上的沉积。研究结果显示，储存在NiOOH复合膜电极中的氧化性能量不仅可以通过暗态下的电化学放电输出，而且可以用于室内甲醛气体的氧化去除。