【摘 要】
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氢气（H2）和过氧化氢（H2O2）是两种重要的绿色化学品,能够用来缓解当今社会的能源危机和环境污染问题。电化学方法被认为是合成H2和H2O2最安全、高效、环保的方法。然而,目前电化学过程的反应速率低、转换效率低是实现工业化生产的主要瓶颈,因此,亟需设计相应的电催化剂来提高电化学转换系统的效率。目前常用的电催化剂大多为贵金属,高成本和稀缺性阻碍了其大规模应用。在此基础上,本文选用低成本、易制备且对环
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氢气（H2）和过氧化氢（H2O2）是两种重要的绿色化学品,能够用来缓解当今社会的能源危机和环境污染问题。电化学方法被认为是合成H2和H2O2最安全、高效、环保的方法。然而,目前电化学过程的反应速率低、转换效率低是实现工业化生产的主要瓶颈,因此,亟需设计相应的电催化剂来提高电化学转换系统的效率。目前常用的电催化剂大多为贵金属,高成本和稀缺性阻碍了其大规模应用。在此基础上,本文选用低成本、易制备且对环境友好的碳基材料:聚苯胺（PANI）和碳点（CDs）,其中,PANI结构多样,具有高电导性和光电转换特性,CDs则具有优良的电子转移能力、丰富的表面官能团和独特的光电效应,它们在电/光催化领域有着广阔的应用前景。太阳能作为提高催化剂性能的推动力,已被广泛应用于电催化系统。本文利用CDs和PANI的特性,设计合成了基于CDs的光辅助电催化剂,用于电化学合成H2和H2O2,研究了其电化学及光辅助电化学过程中的性能,探究了 CDs在其中的作用及催化反应机理,为利用太阳能实现电催化能源的工业化生产提供了新思路。主要研究工作如下:（1）利用化学氧化法原位合成了非金属双功能催化剂PANI/CDs,能够在中性、碱性介质和海水中,通过光辅助电催化水分解产H2。PANI作为导电载体解决了中性电解质提供的质子不足的问题,而CDs的加入增强了催化剂的光电效应。以泡沫镍（NF）为载体,在中性电解质中,可见光下,PANI/CDs/NF的析氧反应（OER）和析氢反应（HER）过电位都显著降低。在电压为2.0 V的电解池中,可见光下,PANI/CDs/NF的电流密度要比黑暗条件下的电流密度增加62.8%。此外,瞬态光电压（TPV）测试被用来研究光对水分解半反应的影响,以及催化剂界面中的电荷转移动力学特性。该工作开辟了一种利用太阳能提高非金属双功能光辅助电催化水分解整体性能的新策略。（2）利用单原子Co掺杂的碳点（Co-CDs）和PANI复合,设计了 p-n异质结电催化剂PANI/Co-CDs,用于光辅助电催化二电子氧还原反应（2e-ORR）产H2O2。用Co-CDs来调节PANI对中间产物*OOH的吸附能,得到的PANI/Co-CDs具有优异的H2O2选择性（～100%）和稳定性。PANI/Co-CDs在可见光下的盘电流与黑暗条件下相比有所提高,说明PANI/Co-CDs在可见光辅助下能提高2e-ORR性能。通过气体扩散电极能够检测到较高的电流密度（52mA cm-2）,催化剂连续工作12 h后仍保持良好的稳定性,有望实现H2O2的大规模生产。此外,还通过Mott-Schottky测试和TPV测试对催化剂的反应机理和电荷传输动力学等问题进行探索,并提出了可能的2e-ORR的机理。
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