近日，湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院（芯片產(chǎn)業(yè)學(xué)院）程正旺等提出了一種基于匹配帶隙和功函數(shù)的p-n異質(zhì)結(jié)，不僅促進(jìn)了可見光吸收，還極大地提高了光生載流子的分離與遷移效率，實(shí)現(xiàn)了高效、穩(wěn)定的PEC可見光析氫。今天小編為大家分享該研究成果，希望對(duì)您的科學(xué)研究或工業(yè)生產(chǎn)帶來一些靈感和啟發(fā)。

應(yīng)用方向：清潔能源，光電催化，分解水制氫，異質(zhì)結(jié)

正文：

光電催化分解水制氫（H₂）為解決能源消耗與環(huán)境污染問題提供了重要的解決方案，在實(shí)現(xiàn)我國(guó)“雙碳"戰(zhàn)略目標(biāo)方面具有重要意義。然而，受限于單一催化劑有限的光吸收能力和光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合，導(dǎo)致可見光條件下的光電催化效率并不理想。因此，如何設(shè)計(jì)和合成高效、穩(wěn)定的分解水光電催化劑成為領(lǐng)域內(nèi)的核心課題。

針對(duì)上述科學(xué)問題，湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院（芯片產(chǎn)業(yè)學(xué)院）程正旺等提出了一種基于匹配帶隙和功函數(shù)的p-n異質(zhì)結(jié)，不僅促進(jìn)了可見光吸收，還極大地提高了光生載流子的分離與遷移效率，實(shí)現(xiàn)了高效、穩(wěn)定的PEC可見光析氫。該工作以“Construction of nanorod-shaped TiO2/Cu3N p–n heterojunction for efficient visible-light hydrogen evolution"為題發(fā)表在國(guó)際期刊Journal of Materials Chemistry C上。

程正旺等采用磁控濺射法，將p型Cu₃N薄膜沉積到一維n型TiO₂納米陣列上，形成了TiO₂/Cu₃N p-n異質(zhì)結(jié)。得益于合適的能隙和內(nèi)建電場(chǎng)的協(xié)同作用，形成的TiO₂/Cu₃N p-n異質(zhì)結(jié)不僅將帶隙從TiO₂的3.09 eV減小到TiO₂/Cu₃N的2.01 eV，光響應(yīng)范圍也從從紫外區(qū)擴(kuò)展到可見光區(qū)域。此外，光生電子-空穴對(duì)的分離和轉(zhuǎn)移效率明顯改善，平均載流子壽命延長(zhǎng)了3倍。進(jìn)一步地，在> 420 nm可見光照射和-0.97 V vs. RHE（可逆氫電極）條件下，光電流密度從TiO₂的-0.33 mA/cm²提高到TiO₂/Cu₃N的-4.66 mA/cm²，提高了約14.12倍。此外，構(gòu)建的TiO₂/Cu₃N異質(zhì)結(jié)表現(xiàn)出穩(wěn)定的PEC析氫性能，相應(yīng)的可見光分解水產(chǎn)氫速率達(dá)到6.98µmol/cm²/h。以上結(jié)果表明：構(gòu)建具有合適帶隙和功函數(shù)的p-n異質(zhì)結(jié)是提高TiO₂光電催化性能的一種有效途徑，并且有望應(yīng)用于其他光電催化劑。本項(xiàng)研究為設(shè)計(jì)和制備高效、低成本、無(wú)毒的PEC分解水電極和其他光電子化學(xué)應(yīng)用提供了一條有效的途徑。

圖1. 樣品制備流程示意圖。

圖2. TiO₂/Cu₃N樣品的X射線衍射圖譜（XRD）。

圖3. TiO₂(a)，Cu₃N (b)和TiO₂/Cu₃N的莫特-肖特基曲線（MS）；TiO₂/Cu₃N界面的TEM圖像；理論計(jì)算的平面平均電勢(shì)，(e) TiO₂(101)，(f) Cu₃N(110)。

圖4. 直接帶隙TiO₂、TiO₂/Cu₃N ((αhν)^2~hν)和間接帶隙Cu3N ((αhν)^1/2~hν)的紫外-可見漫反射光譜(DRS) (a)和相應(yīng)的Tauc圖(b)。

圖5. (a) 穩(wěn)態(tài)光致熒光(PL)光譜，(b) 時(shí)間分辨PL (TRPL)光譜。

圖6. (a) TiO₂、Cu₃N及TiO₂/Cu₃N的表面光電壓譜（SPV）；(b) 在-0.97 V vs. RHE和> 420 nm光照射條件下，TiO₂、Cu₃N及TiO₂/Cu₃N的光電流密度-電壓曲線；(c) 電化學(xué)阻抗Nyquist圖。

圖7. (a) TiO₂/Cu₃N在> 420 nm可見光照射下PEC產(chǎn)氫H₂的循環(huán)穩(wěn)定性。(b)本研究中TiO₂/Cu₃N的平均產(chǎn)氫速率與報(bào)道的TiO₂基異質(zhì)結(jié)結(jié)果的比較。

圖8. > 420 nm可見光照射下，TiO₂/Cu₃N p-n異質(zhì)結(jié)的光生載流子遷移與光電催化分解水析氫機(jī)理圖。

配置推薦

本文中TiO₂及TiO₂/Cu₃N發(fā)光測(cè)試使用卓立漢光公司的OmniFluo990穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)熒光光譜儀完成。OmniFluo990為模塊化搭建結(jié)構(gòu)，通過搭配不同的光源、檢測(cè)器和各類附件，為紫外/可見/近紅外發(fā)光測(cè)試提供綜合解決方案，也為光電催化分解水制氫催化劑的研發(fā)提供有利工具。

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