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南开团队在光电催化水分解制氢领域取得重要进展
来源: 南开大学新闻网发稿时间:2023-11-12 20:19

  南开新闻网讯(通讯员 程金水 武琳晓)近日,南开大学电子信息与光学工程学院罗景山教授课题组在光电催化水分解制氢领域取得的最新研究进展发表在国际著名学术期刊《自然·通讯》(Nature Communications)上。团队基于原子层沉积技术提出双界面电子传输层策略,大幅提升了氧化亚铜(Cu2O)光电催化制氢阴极的起始电位。

  氢能是零碳能源,发展绿色氢能经济是实现碳中和的重要途径。光电催化水分解技术可以将间歇性的太阳能直接转化为氢能,是一种极具潜力的可再生能源技术。Cu2O作为p型半导体,因其原材料储备丰富、制备方法简便、带隙较窄以及能级合适成为高效廉价光电催化制氢电极的明星材料。

  罗景山教授多年来一直聚焦于提升Cu2O光电催化制氢性能,曾采用纳米结构策略使Cu2O光阴极饱和光电流密度在国际上首次达10 mA cm-2Nano Letters, 16, 1848–1857, 2016),随后在此基础上采用新型Ga2O3电子传输层,成功将Cu2O光阴极的产氢起始电位提高至1 V (vs. RHE)的记录值(Nature Catalysis, 1, 412–420, 2018)。提升Cu2O光阴极的光电压有助于提升无偏压串联全解水器件的太阳能制氢转换效率。尽管Cu2O光阴极目前的起始电位可达1 V (vs. RHE), 但仍低于其理论值1.6 V,还有较大提升空间。

  在改善Cu2O光阴极起始电位方面,以往研究多着眼于改善p-n结界面材料能级匹配,忽略了n型界面层之间的能级优化匹配。通过文献调研及阻抗分析,罗景山教授指导博士生程金水和武琳晓发现目前最优结构之一的Cu2O/Ga2O3/TiO2光阴极,在n型界面层Ga2O3和保护层TiO2之间存在不利的界面势垒和电阻,限制了其起始电位和填充因子的提升。基于此,该团队通过原子层沉积技术开发了ZnGeOx新型界面层材料,并将其引入至Ga2O3和TiO2之间构建了双界面层结构,成功将Cu2O光阴极起始电位提升至1.07 V (vs. RHE)的记录值。

  作者通过对比具有单一Ga2O3界面层和双界面层(Ga2O3/ZnGeOx)光阴极在不同偏压下的阻抗值变化趋势,揭示了光生电荷载流子在不同界面处的迁移传输行为。原位阻抗测试结果显示,相对于单一界面层结构,双界面层结构Cu2O光阴极消除了Ga2O3/TiO2界面层之间的不利势垒和电荷迁移电阻。此外,作者通过能级结构分析揭示了通过ZnGeOx界面层的引入,Ga2O3和TiO2之间形成了梯度能级,从而优化了界面层和保护层之间的能级匹配,减少界面能量损失,最终提升了Cu2O光阴极的光电压。

  图a 双界面层Cu2O光阴极能级结构和电荷传输示意图; b不同Cu2O光阴极在光照(AM 1.5G, 100 mW cm-2)下的扫描线性伏安曲线;c 不同Cu2O光阴极产氢起始电位统计图;d 双界面层Cu2O光阴极在不同偏压下的阻抗提取值及其变化趋势。

  综上,本工作强调了以往被忽视的n型界面层之间能级匹配的重要性,并提出了双界面层策略来提升Cu2O光阴极光电压,为其它具有异质结光电器件性能的提升提供了新思路。

  南开大学为该项工作的唯一完成单位及通讯单位,电子信息与光学工程学院罗景山教授为该论文的通讯作者,电子信息与光学工程学院2020级博士生程金水为该论文的第一作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和天津市杰出青年基金的资助。

  文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-023-42799-x

编辑:刘喆萱

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