湖北工业大学程正旺团队：具有匹配带隙和功函数的p–n结促进高效可见光催化析氢

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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