TiO2阵列外延生长α-Fe2O3阵列复合纳米电极制备及其光电催化性能

The photochemical conversion is a new pathway of solar energy utilization besides the application of soalr photovoltaic and photothermal conversion. Hydrogen production toward water water splitting used solar energy is known as "the dream technology of 21st century". The photoelectrode material is a key factor in the photochemical conversion of solar energy utilization. α-Fe2O3 is considered to be a promising material for photolysis hydrogen production, but its own defects (low electron mobility, low diffusion distance of photogenerated carrier, etc.) limit its application. The array structure photoelectrode has a good property of electronic transport, can restrain the interfacial combination of electron-hole pairs to enhance the photocatalytic efficiency. The composite photoelectrode of epitaxial grown α-Fe2O3 nanoarray on TiO2 nanoarrays was constructed and fabricated. The internal relationship between the structures, crystalline, bonding states ofα-Fe2O3/TiO2composite nanoarray and the photoelectrocatalytic properties is investigated. Focusing on the study of interface state and the coupling interaction on α-Fe2O3 nanoarrays and TiO2 nanoarrays, and the mechanism of the photochemical energy conversion on the array photoelectrode is explored with combination of the mechanism analysis on the structure of the catalyst the light capture, the collection and transmission electron, which could provide a theoretical basis for the photoelectrode design with high photoconversion efficiency and high stability toward photoelectrocatalytic water splitting.

太阳能光化学能转换是继光伏、光热技术之后的新的利用途径，其中利用太阳能光催化分解水制氢被称为“21 世纪梦的技术”。光电极材料是光解水制氢体系中的关键因素。α-Fe2O3被认为是一种极具前景的光解水制氢材料，但自身的缺陷（电子迁移率低、光生载流子扩散距离短等）限制其应用。而纳米阵列结构电极具有良好的载流子传输性能，可降低界面电子-空穴对的复合，从而具有较高的光催化活性。本项目创新性的构建并制备TiO2纳米阵列外延生长α-Fe2O3纳米阵列的复合电极，系统考察复合阵列电极结构、晶型、结合状态与光电催化性能之间的关系，重点开展纳米复合阵列光电极体系中α-Fe2O3与TiO2的界面状态、耦合作用机制研究，结合催化剂结构表征、光捕获、电子收集与传输的作用机理分析，探讨复合阵列结构光电极体系的光电化学能转换机制，为太阳能光解水制氢的高效稳定型光催化电极材料的设计提供理论依据。

太阳能光化学能转换是继光伏、光热技术之后的新的利用途径，其中利用太阳能光催化分解水制氢被称为“21世纪梦的技术”。光电极材料是光解水制氢体系中的关键因素。α-Fe2O3被认为是一种极具前景的光解水制氢材料，但自身的缺陷（电子迁移率低、光生载流子扩散距离短等）限制其应用。而复合结构电极具有良好的载流子传输性能，可降低界面电子-空穴对的复合，从而具有较高的光催化活性。本项目在TiO2纳米基材料研究的基础上，1）考察了TiO2纳米材料对于电子转移和抗腐蚀性方面的研究，结果发现，一维纳米阵列具有良好的电子传输性能，同时TiO2薄膜具有良好的保护特性。2）制备Fe2O3基的复合材料，系统考察复合催化剂结构、晶型、结合状态与光电催化性能之间的关系，结果发现，Co、Mn原位掺杂能够替代Fe，提高了Fe2O3的活性和稳定性。3）制备核壳结构的Fe2O3@In2O3、Fe2O3@MnOx复合催化剂，将其应用在光芬顿降解四环素中，结果发现，表层In2O3和MnOx的存在不仅提高了Fe2O3的活性，也明显提高了其稳定性。本项目探讨了光电极体系中Fe2O3与In2O3、MnOx的界面状态、耦合作用机制研究，结合复合催化剂的结构表征、光捕获、电子收集与传输的作用机理分析，阐明了Fe2O3@In2O3、Fe2O3@MnOx复合结构光电极体系的光电化学能转换机制，为太阳能光解水制氢和光催化有机污染物降解的高效稳定型光催化电极材料的设计提供理论依据。