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光电化学水分解将丰沛的太阳能转换成绿色的氢气燃料,是人类利用可再生资源的重要手段,对解决能源危机,实现可持续发展具有重要意义。其中,氧化水过程决定水分解的最终效率,因此半导体光阳极的制备与优化是光电化学水分解领域关注的核心问题。BiVO4是一种优秀的光阳极材料,其化学性质稳定,可吸收自然光中大部分可见光,在光电化学水分解领域具有巨大的应用潜能。然而BiVO4在体内电荷传输,界面电荷转移和表面氧化动力学方面存在不足,严重制约其光电化学性能。因此,如何兼顾上述问题,构建高效,稳定的BiVO4光阳极对其应用到实际光电化学水分解中非常重要。本文同时从形貌调控、体内自掺杂以及表面修饰的角度开展研究,探索BiVO4作为光阳极的最佳设计方案,并将其与PbS量子点太阳能电池串联组装,获得可利用近红外光的自偏压水分解装置。具体研究工作如下:(1)通过氢处理与表面修饰CoPi的方法协同提高纳米多孔BiVO4光阳极的光电化学性能。纳米多孔结构BiVO4具有比表面积大和少子扩散距离短的优点,但是其体内和界面电子复合严重,限制了光阳极的光电化学性能。氢处理可以诱导半导体产生氧空位,提高光阳极载流子浓度,促进体内电荷传输,然而引入的深缺陷会作为复合中心加剧表面电子复合。进一步表面修饰CoPi可以增强界面带弯,抑制表面电荷复合,加快氧化反应速率。光电化学研究表明1.23 V vs.RHE电位下,光阳极的光电流达到4.8mA/cm2,为未修饰BiVO4光阳极的3倍,光电转换效率在400 nm波长下达到85%。实验结果证明氢处理与表面沉积CoPi之间的协同效应可以有效的提升纳米多孔BiVO4光阳极的光电化学性能。(2)通过表面沉积超薄无定型Ti O2提高氢处理纳米多孔BiVO4光阳极光电化学稳定性。氢处理在纳米多孔BiVO4体内诱导产生的氧空位在氧化水过程中随氧浓度的升高逐渐被愈合,导致载流子浓度下降,性能提升效果消失。沉积无定型TiO2作为隔绝层抑制氧空位被愈合,同时体内缺陷能态为电子提供导电通道,不会增加氧化反应过电位。经过3个小时氧化水测试,无保护的氢处理BiVO4光阳极光电流和载流子浓度均降低50%,衰减至原始BiVO4光阳极水平。而沉积4 nm无定型TiO2的光阳极电流强度和载流子浓度分别衰减5%和6%。实验结果证明无定型TiO2具有“漏电”特性,提高氢处理BiVO4光阳极光电化学稳定性的同时不会降低其光电化学性能。(3)通过简单的喷雾法制备高性能的BiVO4光阳极。传统乙醇溶剂喷雾法制备的BiVO4薄膜晶界多,电子在体内传输过程中复合严重。采用DMSO作为喷雾溶剂,促进大块晶体生长,减少晶界复合。结果显示标准太阳光照,1.23 V vs.RHE电位下,DMSO溶剂喷雾得到的BiVO4薄膜光电流密度达到1.2 mA/cm2,约为乙醇溶剂喷雾薄膜的15倍,400 nm波长下光电转换效率达到25%。研究结果证实高沸点的DMSO有助于喷雾液滴在衬底铺展,促进大尺寸晶粒的生长,有利于薄膜内部电子传输和界面电荷分离,从而得到光电化学性能优良的BiVO4光阳极。(4)将BiVO4光阳极与PbS量子点太阳能电池串联组装自偏压水分解装置。PbS量子点可吸收太阳光中近红外部分,与吸收可见光部分的BiVO4吸收光谱互补,组合串联可以拓宽水分解体系对太阳光的响应范围。太阳能电池吸收BiVO4薄膜无法利用的近红外光部分产生光电压,为光阳极分解水提供驱动偏压。实验结果显示串联装置可连续产生氢气,太阳能转氢效率达到0.7%,实现了BiVO4光阳极与PbS量子点太阳能电池串联的自偏压分解水。