Energ. Environ. Sci.：三維納米陣列核殼結構為光催化制氫加速

【引言】

燃料電池具有清潔、高效且壽命長的特點，只要通入氫氣就能源源不斷產生電能。然而原材料氫氣的制取之路道阻且長，相比高能耗的電解水制氫法，太陽能制氫具有廉價、無污染和永不枯竭的特點。來自浙江大學張興旺教授課題組最近在Energy &Environmental Science展示了他們在太陽能光催化制氫上的最新進展，本導讀將對張教授課題組設計的p-Si/NiCoSe_x? 核殼結構光電陰極做介紹。

【成果簡介】

能源危機和環境污染的加劇，使人們不得不擺脫對化石燃料的依賴，集諸多優點于一身的氫氣將是最佳替代品。在陽光照射條件下，可以利用光電化學法分解水產生氫氣。Si由于儲量豐富，具有合適的價帶，有利于太陽光的吸收，被用來作為產生氫的光電化學器件。相比2D結構 ， Si納米柱（NP）陣列結構具有粗糙表面，被證明有更好的防反射性質，在電極和電解液接觸面上，具有更好的催化性和促進產物運輸的功能。

在提高析氫反應速度上，一種硅/催化劑和核殼結構被設計出來，雖然達到了預期的效果，但是制造工序復雜，價格高而且普通催化劑很難沉積在納米柱表面。張教授課題組制造出了一種核殼結構的p-Si/NiCoSe_x 納米柱陣列，使用電鍍沉積法在硅納米柱表面覆蓋一層不定形的NiCoSe_x 外殼。與硅納米線陣列相比，通過簡單的方法就能使外殼更完好的覆蓋，以提高光催化活性。

【圖文導讀】

圖1.形成硅納米柱和p-Si/NiCoSe_x核殼結構的示意圖

1，在p型硅基底上通過平板硬刷技術獲得p型硅納米柱

2，光輔助電子沉積法覆蓋上p-Si/NiCoSe_x外殼

圖2.材料表征圖

a). 原始硅納米陣列的SEM照片

b). 單個硅納米陣列的TEM照片

c). p-Si/NiCoSe_x納米柱陣列的SEM照片

d). 單個硅納米柱沉積不定形NiCoSe_x外殼90s后的TEM照片，展示出完整的核殼結構

e-h). ?p-Si/NiCoSe_x納米柱中Ni, Co, Se, Si的元素映射圖.

i-k). ?p-Si/NiCoSe_x納米柱中Ni 2p, Co 2p, and Se 3d的元素映射圖

圖3.納米陣列柱的測試圖

a). 放置在石墨基底上的NiCoSe_x和空白石墨底盤的J-V曲線比較，說明NiCoSe_x有很好的析氫活性

b). (a)圖中的塔菲爾斜率曲線

c). 不同沉積時間條件下，生長在ITO玻璃上NiCoSe_x/石墨的光譜吸收范圍測試，說明過透明性良好。插圖是空白的ITO基底和NiCoSe_x/ITO沉積90s后的照片

d). 純凈的硅納米柱和沉積90s后的NiCoSe_x/ITO納米陣列柱的反射光譜圖

圖4.組成的完整光電化學器件性能測試圖

a). 大氣質量為AM 1.5G, 5 M ?H₂SO4 的條件下，p-Si/NiCoSe_x納米柱，二維p-Si/NiCoSe_x納米柱和裸露的Si納米柱光陰極的J-V曲線測試，結果表明三維p-Si/NiCoSe_x納米柱具有更優越的光電化學表現

b). 一個太陽照射度，15V條件下的杰奎斯特圖，插圖為等效電路圖。實驗結果表明p-Si/NiCoSe_x納米柱的催化析氫反應要比裸露的Si納米柱光陰極高出很多

c). 黑暗條件下裸露的p-Si/NiCoSe_x納米柱和Si納米柱光陰極的肖特基測試圖，結果表明p-Si/NiCoSe_x納米柱的電極/電極表面性質更有利于增強析氫反應

d). p-Si/NiCoSe_x納米柱穩定性測試，表明核殼結構隔離了Si與空氣和電解質水溶液的接觸，增加了穩定性

【小結】

制氫技術的提高，對降低化石燃料的依賴起著重要作用。張教授課題組設計的硅基三維陣列納米柱結構使光催化制氫技術取得提高，三維陣列結構具有更活躍的催化效果，在光譜吸收范圍上也有所提高，核殼結構的設計，進一步提高了穩定性，這種創新性思路值得學習。

【作者簡介】

文獻鏈接：A ?p-Si/NiCoSex core/shell nanopillar array photocathode for enhanced photoelectrochemical hydrogen production(Energ. Environ. Sci.，2016，?DOI: 10.1039/c6ee02215d)

本文由材料人新能源學術小組 yuezhou 供稿，材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。