功能化的納米結構金屬氧化物助力催化分解水

材料牛注：利用太陽能分解水得到更加清潔的能源越來越受到科學家的重視，但是電極材料的缺陷使得該項技術進展緩慢，目前，有研究人員使用功能化的納米結構金屬氧化物作為催化劑來分解水，已取得進展。

隨著化石能源燃燒帶來的污染，以及其日益減少的產量，人們已開始將目光投向環境友好型可再生能源。利用太陽能光解水產生氫氣和氧氣則被認為是一個理想的解決日益增長的全球能源需求的方式。

半導體材料作為光電化學催化劑在提高效率方面一直扮演著重要的角色。它具有高穩定性、簡單易合成性，無毒性和低成本等特點，因而受到研究人員的青睞，例如ZnO和α-Fe2O3等。然而，一些缺陷限制了它們在太陽能光解水過程中的應用。例如, ZnO光吸收能力差, 而α-Fe2O3的載流子容易受限，表面上存在大量的電子空穴。

用量子點制備氧化鋅納米棒是一種激活氧化鋅的有效方式。研究人員將化學腐蝕制備的氧化鋅納米棒和化學沉積制備的硒化鎘結合起來，得到雙層管狀結構的CdSe / ZnO異質結。他們發現這有利于促進光解水。在CdSe / ZnO異質結中, ZnO納米管可以通過II型帶狀結構有效地注入CdSe里，從而使電子被可見光激發。然后進入到摻氟的氧化錫基質以及單晶ZnO納米管里。此外，化學蝕刻過程使得{ 1010 }晶面暴露在外，從而具有更高的光催化活性。由于這些增強的光學吸收能力,使得大量的{ 1010 }晶面暴露在外，因此具有較大的比表面積和優越的電荷分離效率。CdSe / ZnO管狀納米管陣列顯示光電流密度達到2.5mA/cm2，是氧化鋅的12倍。

關于α-Fe2O3，研究人員通過將其與異類元素摻雜來提高它的電荷載流子遷移率。然而，要將其應用在太陽能光解水中，表面結合的問題還需要解決。通過等離子體增強化學氣相沉積將氧化鈦覆蓋在α-Fe2O3表面上以“修飾”α-Fe2O3。研究人員證明了α-Fe2O3表面結合中心發生有效的鈍化，其壓電性能提高了5倍.

Fig 1. 運行狀態的CdSe / ZnO雙層納米管陣列使太陽能分解水

最近，研究人員制造了α-Fe2O3 / (Agx Fe2?xO3)納米陣列作為太陽能光解水的陽極。通過Mott-Schottky方程和靠近x射線吸收限邊緣的結構分析表明，與銀表面摻雜不僅可以增加電荷載體表面附近的濃度也有助于氧電催化作用,從而降低表面空穴的積累和結合。此外, x射線衍射的原位顯示,與氧有關的空洞主導氧氣演化過程。α-Fe2O3 / Agx Fe2?xO3納米陣列和Agx Fe2?xO3覆蓋物可以加快表面氧化的反應動力學,協同促進提高壓電性能。因此,α-Fe2O3 / Agx Fe2?xO3納米薄膜展示了遠高于α-Fe2O3薄膜壓電性能,尤其是在可見光區域。附帶光電流效率從2.2%上升到8.4%。

研究人員證明了構建金屬氧化物納米結構形成異質結是一種改善光電特性和壓電性能的有效方法。然而，仍然需要做進一步的調查，防止由晶體表面錯位引起的結合中心不匹配問題。

原文參考鏈接：Functionalized metal oxide nanostructures as catalysts for solar water splitting

感謝材料人編輯部趙丹提供素材