清華材料學(xué)院朱宏偉教授課題組合作在孿晶結(jié)構(gòu)催化水分解取得新進(jìn)展
清華新聞網(wǎng)10月10日電 10月4日，清華大學(xué)材料學(xué)院朱宏偉教授課題組合作在《先進(jìn)能源材料》（Advanced Energy Materials）上發(fā)表了題為《孿晶結(jié)構(gòu)BiVO4光陽(yáng)極促進(jìn)載流子的分離和傳輸提高產(chǎn)氧性能》（Twin Structure in BiVO4 Photoanodes Boosting Water Oxidation Performance through Enhanced Charge Separation and Transport）的研究論文。該論文提出了制備具有孿晶結(jié)構(gòu)的BiVO4光陽(yáng)極的方法，驗(yàn)證了孿晶結(jié)構(gòu)形成的同質(zhì)結(jié)有利于促進(jìn)載流子的分離和傳輸從而提高BiVO4的產(chǎn)氧性能。
BiVO4具有較小的帶隙（~2.4 eV）、合適的能帶結(jié)構(gòu)和較好的穩(wěn)定性，是目前有發(fā)展前景的光陽(yáng)極材料之一。但是，BiVO4的載流子的分離效率低和傳輸過(guò)程緩慢顯著增大了載流子的復(fù)合。BiVO4單晶體幾乎沒(méi)有晶體缺陷，能夠有效降低載流子在BiVO4體內(nèi)的復(fù)合。然而，單晶體的非定向且長(zhǎng)距離傳輸依然會(huì)增大載流子的復(fù)合；而具有孿晶結(jié)構(gòu)的BiVO4單晶顆粒提供的“背靠背”的勢(shì)壘和定向傳輸有利于促進(jìn)載流子的分離和傳輸，從而顯著提高BiVO4的光電化學(xué)性能。
圖1、圖2. 孿晶結(jié)構(gòu)有效提高產(chǎn)氧性能的原理圖
課題組通過(guò)退火電沉積得到的BiOI納米片（加釩源），獲得了具有孿晶結(jié)構(gòu)單晶顆粒組成的BiVO4薄膜。由于BiVO4內(nèi)的孿晶結(jié)構(gòu)所形成的同質(zhì)結(jié)有效促進(jìn)了載流子的分離和傳輸，其產(chǎn)氧性能得到了顯著的提升（圖1和圖2）。對(duì)于BiVO4光陽(yáng)極，孿晶顆粒比例占比最高的光陽(yáng)極在1.23 VRHE下的產(chǎn)氧電流密度是孿晶顆粒比例占比最低的光陽(yáng)極的兩倍左右。
另外，為了減少暴露的基底表面帶來(lái)的載流子的復(fù)合位點(diǎn)，通過(guò)“沉積-退火循環(huán)”法（圖3）提高BiVO4在基底的覆蓋度。所獲得具有最優(yōu)孿晶結(jié)構(gòu)和覆蓋度的BiVO4光陽(yáng)極在0.6和1.23 VRHE下的電流密度分別為~2.1和~3.1 mA/cm2，在0.6 VRHE下可以得到1.35%的轉(zhuǎn)換效率。該BiVO4孿晶的制備方法，為其它具有孿晶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體的制備提供了參考和借鑒。
圖3. “沉積-退火”循環(huán)制備方法示意圖
近年來(lái)，朱宏偉教授團(tuán)隊(duì)專(zhuān)注于低維材料的可控制備、性能表征及應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)，在環(huán)境/能源、柔性器件領(lǐng)域取得了多項(xiàng)重要成果。相關(guān)工作發(fā)表在《化學(xué)學(xué)會(huì)評(píng)論》（Chemical Society Reviews）、《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）、《先進(jìn)能源材料》（Advanced Energy Materials）、《納米快報(bào)》（Nano Letters）、《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）等期刊上。
本文第一作者為清華大學(xué)材料學(xué)院2016級(jí)博士生黃美榕，通訊作者為朱宏偉教授和北京大學(xué)李志宏教授。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目和面上項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201802198
供稿：材料學(xué)院 編輯：華山 審核：襄楠
