Advanced Energy Materials：MOFs有望被應用于構筑高效的光電極表面透明鈍化層

【引言】

在太陽能電池與光電化學池等光電系統中，納米光電極由于較大的比表面積，較好的太陽光的捕集效率，以及較高的電荷傳輸效率等結構優勢被廣泛應用。由于表界面對光電物理化學過程的巨大影響，表界面工程是設計構筑高效納米光電極的重要技術手段之一。特別地，在光電化學系統中，表面鈍化層的構筑對減少表面電荷復合，增強界面電荷傳輸效率和光電轉化效率，減少光電極光腐蝕和化學腐蝕，延長光電系統服役周期具有重要的貢獻。目前表面鈍化層材料主要是高介電常數金屬氧化物，如TiO₂、Al₂O₃等，構筑表面鈍化層的方法主要有原子層沉積（ALD）、電化學沉積等，挖掘新型高效表面鈍化層材料，發展新的表面鈍化層構筑方法，具有重要的研究意義。

【成果簡介】

近日，中山大學劉升衛教授團隊與哈爾濱工業大學宋波教授團隊合作研究發現，多孔金屬有機框架（MOFs）薄膜材料有望被應用于構筑高效的光電極表面透明鈍化層。如圖1所示，以沸石咪唑酯骨架結構材料ZIF-8為例，研究者通過原位界面反應方法，成功在泡沫鎳（NF）支撐氧化鋅（ZnO）納米棒陣列表面原位生長ZIF-8表面層，并通過浸漬吸附-原位反應法引入Ni(OH)₂納米片作為助催化劑，構筑了高效Ni(OH)₂/ZIF-8/ZnO/NF復合光電極。

基于上述Ni(OH)₂/ZIF-8/ ZnO/ NF復合光電極的光電化學分解水產氧性能的對比分析，研究者發現，與ZnO/NF光電極相比，表面鈍化的ZIF-8/ZnO/NF光電極的光電流密度提高57.6%，充分證實了ZIF-8作為鈍化層的重要貢獻。同時ZIF-8鈍化層與Ni(OH)₂納米片助催化劑對光電極光電化學性能具有良好的協同促進效果。與ZnO/NF光電極相比，Ni(OH)₂納米片助催化劑修飾的Ni(OH)₂/ZnO/NF光電極的光電流密度提高40.2%，而Ni(OH)₂/ZIF-8/ZnO/NF復合光電極的光電流密度提高了將近2倍。并且，相比較而言，Ni(OH)₂/ZIF-8/ZnO/NF復合光電極的服役穩定性明顯改善。

ZIF-8作為一個典型的多孔MOFs材料有諸多優點，如在紫外可見光區域透明不損失光電極采光性能，多孔網絡有利于光電反應過程的吸附傳質性質等。研究者基于深入系統的對比分析認為（圖2），ZIF-8鈍化層的引入，有效減少表面缺陷態密度，降低表面電荷復合幾率，降低界面傳荷電阻，促進界面電荷轉移效率，對提高光電化學轉化效率有重要貢獻。

【圖文導讀】

圖1 表面鈍化ZnO納米陣列光電極的主要制備過程與光電化學水分解機理

圖2 ZIF-8表面鈍化層作用機理研究

【小結】

以ZIF-8為例，研究者指出，在半導體光電極表面構筑合適的MOFs表面透明鈍化層，有多重優勢：

（1）透明，不影響光電極的捕光性能；

（2）原位構筑，鈍化層與光電極無縫銜接，有效消除缺陷位，降低表面復合，促進界面電荷傳遞；

（3）多孔網絡，有利于共催化劑的負載，有利于反應物的擴散吸附。

研究者認為，進一步深入研究有望為開發新型MOFs薄膜材料基表面透明鈍化層提供新的思路。這一研究成果近期發表在Advanced Energy Materials上，第一作者是中山大學環境科學與工程學院2016級博士研究生李曉博士，相關研究獲得了國家自然科學基金（51372056, 51572209, 51672057, 51722205）等項目的經費支持。

【團隊介紹】

劉升衛，中山大學環境科學與工程學院教授。2009年獲得武漢理工大學材料物理與化學博士學位，師從余家國教授；2008-2009年在英國Bristol大學Stephen Mann教授研究組作為聯合培養博士；2010-2015年在武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室先后任職助理研究員，副研究員，碩士生導師；2012-2014年在香港中文大學生命科學學院從事“香港學者”計劃博士后研究；2015年至今中山大學環境科學與工程學院“百人計劃”教授，主要從事環境材料和低碳技術研究，在JACS等國際知名期刊發表學術論文50余篇，論文被引用5000余次，多篇論文入選ESI 高被引論文。在半導體光催化材料結構調控及其環境與能源應用方面的研究成果獲得1項國家自然科學二等獎（2014年）和2項湖北省自然科學一等獎（2013年，2016年）。

宋波，哈爾濱工業大學教授。 2003年、2005年分別獲得武漢理工大學材料科學與工程專業、材料學專業工學學士、工學碩士學位（本碩連讀）；2008年獲中國科學院物理研究所理學博士學位； 2013年獲教育部新世紀優秀人才， 2017年國家自然基金委優秀青年基金獲得者。

文章鏈接: Xiao Li, Shengwei Liu*, Ke Fan, Zhaoqing Liu, Bo Song* and Jiaguo Yu, MOF-based Transparent Passivation Layer Modified ZnO Nanorod Arrays for Enhanced Photoelectrochemical Water Splitting, Advanced Energy Materials,?2018,?1800101(1-7), https://doi.org/10.1002/aenm.201800101

本文由哈爾濱工業大學宋波教授團隊投稿。

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