波士頓學院Joule: 王敦偉團隊提高氮化鉭光裂解水穩定性

深海萬里 6年前 (2018-03-04) 4855瀏覽

【引言】

作為儲存太陽能的有效手段，利用半導體材料來進行光催化反應（例如光解水以及光還原二氧化碳）具有非常重要的研究意義。其中，關于半導體材料與電解液間界面的理解對于進一步提高光催化劑的性能尤為重要。氮化鉭（Ta₃N₅）作為一種非常有希望的光陽極材料，它的光氧化水性能主要局限于發生在半導體與水之間的自氧化副反應。如何避免這種副反應成為提高氮化鉭性能的當務之急。相關成果發表在Cell Press旗下的能源期刊Joule上（Joule 1, 831-842, 2017）

【成果簡介】

在美國波士頓學院的王敦偉實驗室，何昱旻和馬培艷等發現在氮化鉭納米管陣列上通過水熱的方法沉積氫氧化鈷（Co(OH)₂）納米薄片能有效提高氮化鉭光氧化水的光電流密度以及穩定性。氮化鉭本身在光氧化水條件下極不穩定，與此同時光電流密度會快速下降。恰恰相反，在沉積了氫氧化鈷納米薄片后，氮化鉭的光電流密度隨著光氧化水的時間增加而提高并趨于穩定。在此基礎之上，沉積另一種高效的氧化水催化劑（Co-Pi）可以進一步提高光電流密度。當沒有光照的情況下，這種不同尋常的現象不會發生。對于氮化鉭和氫氧化鈷間界面的研究進一步表明，一個光誘導形成的界面減弱了費米能級釘扎效應，從而改善了光激發電子-空穴對在表面的復合，與此同時加快了光空穴的傳導，從而減少了自氧化副反應的發生。這個界面被解釋為在光氧化水過程中產生的氧自由基引導生成的Ta-O-Co鍵。這個發現表明了利用催化劑與半導體間的反應來提高光催化劑性能的可行性。

【圖文導讀】

圖1. (A) 示意圖表明氮化鉭本身在光氧化水條件下的自氧化以及在沉積了氫氧化鈷后在光氧化水條件下形成新的界面。（B）沉積了氫氧化鈷后氮化鉭的光電流密度隨著循環伏安次數的增加而升高。類似的現象在電流密度-時間的曲線中也可以觀察到，見（C）。

圖2. 在氫氧化鈷的基礎上沉積Co-Pi能夠進一步提高光電流密度并保持氮化鉭的穩定性。

圖3. （A）沉積了氫氧化鈷后氮化鉭的光開路電壓隨著光氧化水時間的增加而負移，從側面反映了費米能級釘扎效應的減弱。（B）光激發電子-空穴的復合速率常數隨著氫氧化鈷的沉積以及光氧化水時間的增加而降低。（C）在X射線光電子能譜中，氮化鉭表面鉭的結合能隨著光氧化水的發生負移，從側面表明Ta-O-Co鍵的形成。