中科院納米能源所&濟南大學Adv. Funct. Mater.：壓電效應增強p-n結全光譜光電催化

【背景介紹】

基于半導體材料的光電化學（PEC）催化技術是實現太陽能高效利用的有效方法之一，有望解決全球的環境問題與能源危機。目前納米TiO₂一直被認為是一種最重要的太陽能捕獲和光電轉換半導體進行研究。但是TiO₂只能利用太陽光中的紫外部分，且其光生載流子易復合利用效率低。因此，作為光電化學分解制氫的光催化劑需要滿足三個條件：1.光催化活性材料與襯底電極之間的直接接觸，保證電子快速傳輸；2.全譜光催化，保證更大限度地利用太陽能；3.降低光生載流子復合率，提高載流子利用效率。目前研究發現，壓電效應（壓電勢）構建內建電場能夠增強載流子在金屬與半導體、半導體與液體界面之間的傳輸，但是在調控p-n結處的載流子傳輸方面還尚無報道。

【成果簡介】

近日，中科院北京納米能源與系統研究所李琳琳研究團隊、王中林院士研究團隊，與濟南大學于欣研究團隊（共同通訊作者）在前期通過壓電勢調控肖特基結增強光催化抗菌的研究基礎上（Nano Energy, 2018, 46, 29-38），設計了一種壓電效應增強的p-n結型全光譜光電催化劑，具有高效的光電催化能力。

首先，在導電玻璃上原位生長TiO₂單晶納米棒，保證了載流子的快速傳輸；在n型TiO₂的表面負載p型Ag₂O納米顆粒，由于Ag₂O的禁帶寬度窄，其光的吸收利用能夠到達近紅外區，并且與n-TiO₂形成的p-n結能使載流子定向傳輸。更為重要的是，通過在p-n結處插入具有壓電效應的BaTiO₃（BTO）納米層，能夠進一步增強TiO₂與Ag₂O中電子和空穴的分離能力。通過外加電場增強載流子的定向傳輸，使其具有高效的光電PEC性能。研究成果以題“Piezoelectric-Effect-Enhanced Full-Spectrum Photoelectrocatalysis in p–n Heterojunction”發表在國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上。中科院北京納米能源所博士生劉志榮與濟南大學碩士生王龍偉是文章的并列第一作者。

【圖文解析】

圖一、TiO₂/BTO/Ag₂O納米棒陣列的制備與形貌表征

（a）TiO₂/BTO/Ag₂O納米棒陣列制備流程圖；

（b-g）TiO₂，TiO₂/BTO，TiO₂/BTO/Ag₂O納米棒陣列的SEM圖像；

（h）TiO₂/BTO/Ag₂O納米棒分層結構的高分辨TEM圖像；

（i）TiO₂/BTO/Ag₂O的元素分布mapping圖。

圖二、材料的結構、價態、吸收光譜與壓電性的表征

（a）TiO₂，TiO₂/BTO，TiO₂/BTO/Ag₂O納米棒陣列的拉曼譜圖；

（b-c）TiO₂/BTO/Ag₂O納米棒陣列的Ba和Ag的XPS能譜圖；

（d）TiO₂，TiO₂/BTO，TiO₂/BTO/Ag₂O納米棒陣列的UV-visible吸收光譜圖；

（e-f）TiO₂/BTO/Ag₂O納米棒陣列壓電力顯微鏡（PFM）的表征。

圖三、材料的光電性能的表征

（a-c）在紫外可見近紅外光下材料的光電流；

（d）在模擬太陽光下材料的光電流；

（e）光電流隨著偏壓的增大而增加；

（f）光電流穩定性的測試。

圖四、材料的電化學阻抗譜的測試

（a）在黑暗條件下TiO₂，TiO₂/BTO，TiO₂/BTO/Ag₂O納米棒陣列的電化學阻抗譜；

（b）在光照條件下TiO₂，TiO₂/BTO，TiO₂/BTO/Ag₂O納米棒陣列的電化學阻抗譜。

圖五、壓電增強光電催化的機理

（a）壓電層BaTiO₃促進TiO₂與Ag₂O中載流子分離示意圖；

（b）光電催化中載流子定向流動示意圖。

小結

該研究通過在n-TiO₂和p-Ag₂O之間插入BaTiO₃納米層形成了多層同軸的納米棒陣列光電陽極，通過極化中間層的BaTiO₃成功的制備了壓電效應增強的全光譜光電催化劑。中間層BaTiO₃能夠在界面處產生壓電勢，吸引n-TiO₂產生的空穴與p-Ag₂O產生的電子，從而降低了其載流子的復合率，提高了其分離能力，大大提高了光陽極的光電催化性能。本工作為壓電效應增強光電催化提供了一種新的策略，為壓電效應在半導體界面處調控載流子的研究提供了參考。

文獻鏈接：Piezoelectric-Effect-Enhanced Full-Spectrum Photoelectrocatalysis in p–n Heterojunction (Adv. Funct. Mater. 2019, 1807279, DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.201807279)

通訊作者及團隊介紹

王中林，中國科學院外籍院士和歐洲科學院院士。現為佐治亞理工學院終身校董事講席教授，Hightower終身講席教授，中國科學院北京納米能源與系統研究所所長兼首席科學家。已在國際一流刊物上發表了超過1400篇期刊論文（其中40余篇發表在 Science、Nature及子刊上），7本科學專著，超過200 項專利。Nano Energy 的發刊主編和現任主編。他已被邀請做過900多次學術講演和大會特邀報告。2015年湯森路透引文桂冠獎獲得者，2018年第十一屆埃尼“前沿能源獎”獲得者，位列Google Scholar（谷歌學術）2018年公布的全球納米技術專家學術引用與影響力排行榜第一名。王中林院士的研究具有原創性，前瞻性和引領性。他在電子顯微學和納米科學方面有多項國際重要影響力的原創性和開創性研究成果，其中包括反射電子能量損失譜，等離子體激發，電子的非彈性散射理論，透射顯微鏡中納米材料的力學和電學性能的原位測量技術，納米氧化鋅的生長和控制，納米發電機，壓電電子學，壓電光電子學，納米傳感等。

網頁鏈接：http://www.nanoscience.gatech.edu/

李琳琳，中科院北京納米能源與系統研究所/納米能源與生物傳感課題組負責人。2002年獲安徽大學學士學位，2005年獲北京師范大學碩士學位，2008年獲中科院理化所博士學位。曾獲2014年中科院盧嘉錫青年人才獎，2015年中科院青年促進會會員。主持國家自然科學基金、北京市自然科學基金等10余項項目。在Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy等學術期刊發表第一/通訊作者40余篇，論文共被引用5000余次，H-index為32，獲授權發明專利7項，參編英文專著3章。

網頁鏈接：http://www.escience.cn/people/linlinnano/

于欣，濟南大學前沿交叉科學研究院副研究員。2012年獲河北工業大學學士學位，2017年獲中科院北京納米能源與系統研究所博士學位。主持山東省優秀青年人才基金，國家青年科學基金，山東省重大基礎研究項目與山東省博士基金等。在Adv. Funct. Mater.、Nano Energy、ACS Nano、Appl. Catal. B-Environ. 等學術期刊發表論文30余篇，其中第一/通訊作者14篇。

網頁鏈接：http://iair.ujn.edu.cn/info/1053/1264.htm

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