近日,湖北工业大学理学院(芯片产业学院)程正旺等提出了一种基于匹配带隙和功函数的p-n异质结,不仅促进了可见光吸收,还极大地提高了光生载流子的分离与迁移效率,实现了高效、稳定的PEC可见光析氢。今天小编为大家分享该研究成果,希望对您的科学研究或工业生产带来一些灵感和启发。
应用方向:清洁能源,光电催化,分解水制氢,异质结
正文:
光电催化分解水制氢(H2)为解决能源消耗与环境污染问题提供了重要的解决方案,在实现我国“双碳”战略目标方面具有重要意义。然而,受限于单一催化剂有限的光吸收能力和光生电子-空穴对的复合,导致可见光条件下的光电催化效率并不理想。因此,如何设计和合成高效、稳定的分解水光电催化剂成为领域内的核心课题。
针对上述科学问题,湖北工业大学理学院(芯片产业学院)程正旺等提出了一种基于匹配带隙和功函数的p-n异质结,不仅促进了可见光吸收,还极大地提高了光生载流子的分离与迁移效率,实现了高效、稳定的PEC可见光析氢。该工作以“Construction of nanorod-shaped TiO2/Cu3N p–n heterojunction for efficient visible-light hydrogen evolution”为题发表在国际期刊Journal of Materials Chemistry C上。
程正旺等采用磁控溅射法,将p型Cu3N薄膜沉积到一维 n型TiO2纳米阵列上,形成了TiO2/Cu3N p-n异质结。得益于合适的能隙和内建电场的协同作用,形成的TiO2/Cu3N p-n异质结不仅将带隙从TiO2的3.09 eV减小到TiO2/Cu3N的2.01 eV,光响应范围也从从紫外区扩展到可见光区域。此外,光生电子-空穴对的分离和转移效率明显改善,平均载流子寿命延长了3倍。进一步地,在> 420 nm可见光照射和-0.97 V vs. RHE(可逆氢电极)条件下,光电流密度从TiO2的-0.33 mA/cm2提高到TiO2/Cu3N的-4.66 mA/cm2,提高了约14.12倍。此外,构建的TiO2/Cu3N异质结表现出稳定的PEC析氢性能,相应的可见光分解水产氢速率达到6.98 µmol/cm2/h。以上结果表明:构建具有合适带隙和功函数的p-n异质结是提高TiO2光电催化性能的一种有效途径,并且有望应用于其他光电催化剂。本项研究为设计和制备高效、低成本、无毒的PEC分解水电极和其他光电子化学应用提供了一条有效的途径。
图1. 样品制备流程示意图。
图2. TiO2/Cu3N样品的X射线衍射图谱(XRD)。
图3. TiO2 (a),Cu3N (b)和TiO2/Cu3N的莫特-肖特基曲线(MS);TiO2/Cu3N界面的TEM图像;理论计算的平面平均电势,(e) TiO2(101),(f) Cu3N(110)。
图4. 直接带隙TiO2、TiO2/Cu3N ((αhν)2~hν)和间接带隙Cu3N ((αhν)1/2~hν)的紫外-可见漫反射光谱(DRS) (a)和相应的Tauc图(b)。
图5. (a) 稳态光致荧光(PL)光谱,(b) 时间分辨PL (TRPL)光谱。
图6. (a) TiO2、Cu3N及TiO2/Cu3N的表面光电压谱(SPV);(b) 在-0.97 V vs. RHE和> 420 nm光照射条件下,TiO2、Cu3N及TiO2/Cu3N的光电流密度-电压曲线;(c) 电化学阻抗Nyquist图。
图7. (a) TiO2/Cu3N在> 420 nm可见光照射下PEC产氢H2的循环稳定性。(b)本研究中TiO2/Cu3N的平均产氢速率与报道的TiO2基异质结结果的比较。
图8. > 420 nm可见光照射下,TiO2/Cu3N p-n异质结的光生载流子迁移与光电催化分解水析氢机理图。
关于此文章的更多细节请查看原文链接:
https://doi.org/10.1039/D4TC00916A
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本文中TiO2及TiO2/Cu3N发光测试使用卓立汉光公司的OmniFluo990稳态瞬态荧光光谱仪完成。OmniFluo990为模块化搭建结构,通过搭配不同的光源、检测器和各类附件,为紫外/可见/近红外发光测试提供综合解决方案,也为光电催化分解水制氢催化剂的研发提供有利工具。
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