上海大學王林軍團隊:太陽能光電化學分解水制氫領域取得重大實驗進展

2021-02-25 材料人

【成果簡介】 

近日，上海大學材料學院電子信息材料系王林軍教授團隊在太陽能光電化學分解水制氫領域取得重大實驗進展，以鐵電極化理論為基礎設計併合成了具有高效光吸收和電荷分離能力的TiO2-SrTiO3核殼結構的納米線陣列。研究成果以「Simultaneous Enhancement of Charge Separation and Hole Transportation in TiO2-SrTiO3 Core-Shell Nanowire Photoeletrochemical System」為題，於5月15日發表在國際材料頂尖期刊Advanced Materials上，上海大學為第一單位。該論文第一作者為上海大學16級碩士研究生吳飛同學，通訊作者包括上海大學楊偉光副研究員、王林軍教授以及美國威斯康星大學麥迪遜分校王旭東教授。

【圖文導讀】

圖1 納米線陣列的形貌和成分分析

(a-d) TiO2 納米線和以TiO2為核-STO為殼的納米線的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。

(e) FTO基板，原始TiO2納米線陣列和具有四種不同厚度的STO外殼的TiO2-STO核殼結構納米線的XRD圖樣。

圖2 TiO 2 納米線的結構和元素特徵

【研究內容】

目前，太陽能光電化學分解水制氫是太陽能轉化技術的研究熱點，在太陽能開發與利用領域具有巨大的應用潛力。光電化學電池（Photoeletrochemical cell，PEC）電極材料須具有以下特徵：合適的禁帶寬度、高效的載流子分離效率以及穩定的化學性質。電極材料在一定的光照條件下進行有效光吸收產生電子-空穴對，然後分別藉助光生空穴的強氧化性和光生電子的強還原性發生析氧和析氫反應，從而實現水的分解。該研究領域的核心目標是提高體系的光吸收效率和電荷分離效率，從而提高其光-氫（Solar-to-Hydrogen）轉化效率。

針對以上兩個技術關鍵點，該課題組分別從微觀形貌控制和晶體生長兩方面設計併合成了TiO2-SrTiO3核殼結構的納米線陣列光陽極。首先採用一維TiO2納米線陣列降低晶體尺寸，極大地增大了光陽極材料的比表面積，提高體系的光吸收效率，縮短了空穴的擴散距離，促進光生載流子的運輸，從而減少載流子的複合。其次，在TiO2納米線表面原位生長一層SrTiO3形成核殼異質結構，利用納米殼層SrTiO3的自發極化電場促進核層TiO2中電子-空穴對的分離和傳輸，並揭示其工作機理。該研究工作得到了同行評審者的充分肯定，對於鐵電半導體材料在促進載流子輸運機制方面提供了重要的理論和應用價值。

原文連結：http://news.shu.edu.cn/Default.aspx?tabid=454&ctl=Details&mid=1072&ItemID=38972&SkinSrc=[L]Skins/SHUnews_o/SHUnews_1.

文獻連結：Simultaneous Enhancement of Charge Separation and Hole Transportation in a TiO2–SrTiO3 Core–Shell Nanowire Photoelectrochemical System(Adv. Mater., 2017, 10.1002/adma.201701432)（見下方「閱讀原文」）

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