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光电化学水分解电池(PEC)无论从环境与能源的角度还是从简单快捷的制备成本角度看都具有广阔的应用前景。要想实现无偏压的完全水分解若只依靠单一光电极材料很难达到稳定高效分解水的要求,因此,研究者们将目光投向了 PEC叠层器件的设计。目前已知的光电化学体系的叠层器件有PEC/PEC以及PEC/PV两种构型,都能实现无偏压的完全水分解。PEC/PEC叠层器件是将光阳极和光阴极串联起来形成回路,通过两电极受光照后产生的光电压驱动水分解反应的进行;PEC/PV叠层器件是将光阳(阴)极与外置光伏电池串联,通过光电极自身的光电压以及外置光伏电池产生的电压来推动水分解反应的进行。另有一种没有借助PEC体系的水分解器件叫PV/Electrolysis器件,简称PV/EL,也是常见的用于实现水分解的器件。PV/EL体系直接将光伏电池外接于两个金属电极上,在电解池内实现水的分解。本论文围绕PEC叠层器件两种的主要构型设计——PEC/PEC器件与PEC/PV器件,将硅基半导体材料作为光阴极和外置光伏电池,分别与钒酸铋光阳极串联组成PEC叠层器件,实现了无偏压下的完全水分解。首先将钒酸铋与重掺硅纳米线串联组成PEC/PEC器件,无外加偏压条件下获得约0.09 mA/cm2的光电流,对应STH转换效率为0.12%。又选用光伏电池体系里的叠层p-i-n非晶硅薄膜电池作为光电极,通过与电解液接触的光电化学测试判定其为p型半导体,并将其与前述相同钒酸铋组成PEC/PEC叠层器件,由于叠层p-i-n结构的特殊性,该光阴极自带内置PV体系,为PEC/PEC叠层器件性能的提升提供了较大的帮助,最终器件光电流能达到0.65 mA/cm2,对应STH转换效率0.8%。再将叠层p-i-n外置作为单纯的PV电池与钒酸铋串联组成PEC/PV叠层器件,仅获得0.0738%的STH转换效率,随后用普通商用硅电池替代叠层p-i-n电池同样得到叠层器件,获得0.74%的STH效率。通过探究两种基于光电化学体系的叠层器件——PEC/PEC器件与PEC/PV器件,比较发现PEC/PV体系相对较容易获得较好的转换效率,因其无需考虑两光电极的能带匹配问题,仅需考虑前后位元器件的光吸收问题。而PEC/PEC体系结构相对简单,但需考虑两光电极的能带匹配和光吸收的问题,在材料的搭配选择上相对苛刻。本文通过搭建以叠层p-i-n材料为光阴极、钒酸铋为光阳极构成的PEC/PEC叠层器件,帮助提升了 PEC/PEC器件的性能。为后续叠层p-i-n材料在光电化学领域的应用进行了初步探索,后续可以尝试通过调节其i层以及最外层n层的厚度进一步提升其PEC性能。本文还探究了 NiFe LDH催化剂在水分解和海水分解器件中的应用。通过比较NiFe/Ni foam电极、Ni(OH)2/Ni foam电极分别在水分解和海水分解中的电催化性能后,选择NiFe/Ni foam电极组成两电极体系。首先将NiFe/Ni foam两电极体系与两节普通商用硅电池串联可实现无偏压的水分解,太阳光为器件提供唯一的能量来源,1000s后该器件的电流密度仍有4.2 mA/cm2,对应STH效率达到5.17%。NiFe/Ni foam电极组成的两电极体系对海水的分解在电化学工作站的辅助偏压下进行,在2V偏压下观察到阳极的溶解,判定所得电流为腐蚀电流。通过探究NiFe/Ni foam电极组成的两电极体系实现了无偏压的水分解。