CRPS：吕锋仔/黄文财团队揭秘一种能高效光全解水的异质结 | Cell Press论文速递

物质科学

Physical science

近日，福州伏智光催化研究中心吕锋仔团队与厦门大学黄文财教授合作，在国际上首次提出“应用一种厚度不超出空间电荷区的异质结以高效光全解水的策略”。2021年11月12日，该文以“Varying heterojunction thickness within space charge region for photocatalytic water splitting”为题，发表于Cell Press细胞出版社期刊Cell Reports Physical Science上。

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研究亮点：

1. 控制异质结厚度在空间电荷区内并调整其厚度以增强氧化还原能力。

2. 使用电子束蒸发镀膜制备了Ag₃PO₄-CdS-Pt异质结光催化剂。

3. 调控Ag₃PO₄/CdS薄膜厚度以提高光催化效率，在可见光照射下，该催化剂光全解水制氢转化效率最高达2%。

研究背景

光解水是一个能量爬坡过程，需要吸收光能，而其中关键是光生电子和空穴的有效分离。直接Z型异质结能够有效分离电子和空穴，科学家们研究证明直接Z型光催化剂能够光全解水。然而，由于形成异质结前两种半导体费米能级的差异，导致形成结后在空间电荷区能带弯曲使其氧化还原能力降低，对光催化效率影响很大。

成果简介

吕锋仔团队与黄文财教授合作，在国际上首次提出“应用一种厚度不超出空间电荷区的异质结以高效光全解水的策略”。

图1. Ag₃PO₄-CdS-Pt异质结在光照下的能带示意图和结构示意图

要点1：在空间电荷区内调控异质结厚度以增强其氧化还原能力

直接Z型异质结能够有效分离光生电子和空穴，然而，由于形成异质结前两种半导体费米能级的差异，导致形成结后在空间电荷区能带弯曲使其氧化还原能力降低，作者注意到二维纳米材料形成异质结后（厚度约几纳米），其氧化还原能力并没有受到明显影响。该团队对上述异质结能带结构图进行深入研究后，提出“能带弯曲区域与厚度对应的每个位置具有相应的氧化还原能力，越薄的厚度具备更好的氧化还原能力”。控制异质结厚度在空间电荷区内并调整其厚度，甚至能使氧化还原能力不足以光全解水的异质结光催化剂具备直接光解水的可行性。

图2 光照下在空间电荷区内调控厚度的异质结能带示意图

要点2：制备Ag₃PO₄-CdS-Pt异质结光催化剂

CdS和Ag₃PO₄可见光照射下分别在还原水制氢和氧化水产氧方面表现突出，然而到目前为止，所报道的Ag₃PO₄-CdS异质结从未实现光全解水。基于要点1所述方案，作者制备了一系列厚度的Ag₃PO₄-CdS-Pt异质结光催化剂，其中Pt作为析氢助催化剂。将Ag₃PO₄/CdS（尤其是Ag₃PO₄）制成薄膜使其既不分解又不溶于水是一个很大的挑战。作者先烘烤陶瓷基底，然后用离子源(Ar:10 sccm)蚀刻它以活化表面，然后使用电子束蒸发（需要很好地设置束流和沉积速率）将Ag₃PO₄/CdS牢固地沉积到基底上。CdS/Pt沉积后，将样品置于空气中超过 24 小时以形成稳定的表面。

要点3：光催化全解水测试

在纯水中，可见光照射下厚度超过空间电荷区的样品不能分解水，而厚度在空间电荷区内的样品能全解水并随着厚度变薄其光转化效率迅速提高。而以微量Na₂S为中间介体，实验中获得的最大光转化效率高达2%，达到国际先进水平。

表1.可见光照射下不同薄膜厚度的Ag₃O₄-CdS-Pt异质结光转化效率

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图3. 不同浓度的Na₂S溶液中H₂和O₂的产率

小结

本文提出了在空间电荷区内调控异质结厚度以增强其氧化还原能力，从而提高其光催化效率的方案。根据该方案制备的异质结光催化剂最大光转化效率高达2%。作者认为通过优化晶型及基底微孔等措施，该光催化剂效率将进一步得到提高。此外，本工作所提出的方案将极大地拓展光催化材料选择的灵活性，进而筛选更优的材料和更合适的基底，为制备出更强的光催化剂开辟出一种全新的技术路径。同样重要的是，该方案采用的制备工艺简单、易于量产，制备的光催化剂性能稳定、不存在回收污染等问题，这将有望给太阳氢产业化提供了一个有竞争力的新途径。此外，厚度不超出空间电荷区是二维纳米结构和传统异质结结构之间的有趣区域，该区域内电子行为变化效应还可应用于光催化二氧化碳转化和有机污染物的光催化分解以及其他相关半导体领域，如太阳能电池等。

相关论文信息

论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

▌论文标题：

Varying heterojunction thickness within space charge region for photocatalytic water splitting

▌论文网址：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S266638642100374X

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2021.100652

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