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部长介绍
李灿 院士
现任中国科学院大连化学物理研究所研究员、洁净能源国家实验
室主任,2003年当选中国科学院院士。中国科学院大连化学物理研究所和日本东京工业大学联合培养理学博士。曾先后在比利时新鲁汶大学、美国西北大学、英国利物浦大学……
学术动态
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我所硅基材料用于光电化学分解水的研究取得新进展


发布人:管理员    发布时间:2016-10-11     返回首页

近日,我所催化基础国家重点实验室、洁净能源国家实验室(筹)李灿院士团队在硅基材料用于光电化学分解水的研究中取得新进展,研究结果Manipulatingthe Interfacial Energetics of n-type Silicon Photoanode for Efficient WaterOxidation”以全文的形式发表在《美国化学会会志》(J.Am. Chem. Soc., 2016, DOI: 10.1021/jacs.6b07188)上。

太阳能光电催化分解水反应涉及到光生电荷的分离和传输,人们通常在光催化剂中构建异质结以期能有效促进这些传递过程。异质结可存在于催化剂/催化剂、催化剂/助催化剂以及催化剂/电解液等多个界面上。研究结果显示,实际制备的大多数异质结光催化剂并不能展现出预期的优良性能。这是因为在异质结的构建中,研究者常从材料的体相能带结构出发,来考虑其对电荷转移的促进作用。然而,由于电荷转移仅仅只发生在异质界面的几个原子平面上,光电极的光伏特性往往与界面能带结构和性质紧密相关。但是截至目前,关于电荷在异质结界面能级上的分离和传输过程的认识并不明确,如何有效调控这些界面能级便成为制备光电催化剂时必须考虑的首要问题。

在本工作中,科研人员发现存在于n-Si/ITO肖特基结界面上的施主态能级阻碍了光生空穴抵达电极表面参与氧化反应,并确认了该施主态缺陷的能级位置。在n-SiITO之间引入薄层TiOx,并对其离散能级进行精细调控,有效地减少了界面施主态能级,并实现n-Si/TiOx/ITO肖特基势垒高度近理论值,从而极大地提高了光生电荷的分离和传递效率。其次,该团队的研究还证实了表面负载型NiOOH的双重角色,一方面作为传统认知的水氧化催化剂促进光生电荷的注入效率;另一方面修饰了该肖特基电极的表面功函,增加了势垒高度和内建电场强度,使可获得的表面光电压额外增加了1.15倍。制备的n-Si/TiOx/ITO/NiOOH光电极参与水氧化反应时,表现出极低的起始电位(0.9V, vs. RHE),同时在一个较宽的电极电位下实现了光生电荷注入效率大于90%以及电荷分离效率接近100%。该研究结果,不仅仅适用于硅基光阳极,还可拓展应用至其他半导体基光电器件的制备中。同时,该工作也是继非晶硅的相关研究后(ChemSusChem,2015, DOI: 10.1002/cssc.201501004)在单晶硅用于光电化学分解水方面取得的新进展,显示了硅基材料用于太阳能转化制氢的优势及巨大潜力。

该工作得到了科技部973项目、国家自然科学基金和教育部能源材料化学协同创新中心(iChEM)的资助。(文/图李灿、姚婷婷)