利用太阳能在半导体材料上实现水分解，直接将其转化为可持续的氢能，是解决能源危机和环境污染的有效途径。在过去的几十年里，为得到一种高效全解水光催化剂，研究人员进行了大量探索。例如，元素掺杂、晶面调控、缺陷调控和构筑异质结光催化剂等。然而，光催化水分解过程中较低的载流子分离效率依然是限制光催化活性的关键难点。
鉴于此，近日，西北工业大学李炫华教授团队 在Nature Energy期刊 上发表题为“Internal quantum efficiency higher than 100% achieved by combining doping and quantum effects for photocatalytic overall water splitting” 的研究成果。
概述
该研究报道了一种多激子效应增强的光催化水分解策略。该策略通过量子效应和掺杂工程的协同调控实现了CdTe/V-In2S3异质结光催化剂能带结构和内建电场强度的宽范围调控，为激子的提取提供了强的迁移驱动力。在强界面内建电场、梯度能带结构的共同作用下，实现了多激子效应在光催化水分解领域的有效利用，获得了超越100%的内量子效率。 图文导读
研究团队通过量子效应和掺杂效应的协同调控策略，首次在光催化水分解领域实现了多激子效应的有效利用。在V-In2S3的V 2p XPS曲线(图1b)中，除了In-S峰外，在517.26 eV处还观察到一个额外的V-S峰，表明在In2S3晶格的In位成功地引入了V原子。随着V掺杂量的增加，V-S键的峰强度逐渐增强。通过拉曼光谱也观察到了V掺杂的引入。V-S拉曼峰伴随着In2S3的A1g、Eg和B2g特征峰出现并逐渐增强，证实了V-In2S3中V掺杂剂的存在。 图1：CdTe量子点和V-In2S3的能带结构 作者利用静电自组装方法将CdTe量子点锚定在V-In2S3表面，制备了CdTe/V-In2S3复合物。在CdTe-4.2/V-In2S3-3的拉曼光谱中观察到V-In2S3的A1g、Eg、B2g和V-S峰以及CdTe的横向光学(TO)和纵向光学(LO)峰，表明CdTe-4.2/V-In2S3-3的成功合成(图2a)。扫描和透射电子显微镜显示了CdTe-4.2/V-In2S3-3 (图2b,c)的纳米花形貌。 图2：CdTe/V-In2S3光催化剂的形貌和结构 利用XPS表征了CdTe/V-In2S3的界面相互作用。当增加量子点尺寸或V掺杂时，CdTe/V-In2S3的In 3d XPS和Cd 3d XPS曲线分别逐渐向高结合能和低结合能方向移动。图3c显示了CdTe量子点和V-In2S3 接触前的能带结构。由于V-In2S3的费米能级高于CdTe的费米能级，在CdTe/V-In2S3异质结界面处，V-In2S3与CdTe之间发生电子转移，直到两者之间的费米能级达到平衡并形成空间电荷区(图3d)。随着量子点尺寸和V掺杂量的增加，V-In2S3与CdTe之间的费米能级差逐渐增大，界面电子交换增强，这与XPS结果一致。 图3：CdTe/V-In2S3光催化剂的界面内建电场 随着CdTe量子点尺寸的增大，当量子点尺寸为2.8和3.9 nm时，CdTe/V-In2S3-3的IQEpc曲线在总波长附近保持平坦，而当量子点尺寸为4.2和5.0 nm时，CdTe/V-In2S3-3的IQEpc曲线呈上升趋势(图4b)。这一现象暗示了当量子点尺寸超过4.2 nm 时，CdTe量子点在高能光子照射下诱导MEG效应。 图4. CdTe/V-In2S3光催化剂的界面载流子传输动力学和MEG效应 图5：碲化镉CdTe/V-In2S3光催化剂的光催化性能 总的来说，作者报道了CdTe-4.2/V-In2S3-3复合物，其在 350 nm 处实现了 100% 以上的 IQE（通过光电流测量得出的 IQEpc为118%，通过光催化H2析出得出的 IQEhy为114%）。这提供了足够的光诱导载流子，用于水氧化还原反应，同时产生 H2 和 O2。通过调整V掺杂含量和量子点尺寸，CdTe和V-In2S3之间的费米能级差实现了单调线性变化，从而诱导生成强大的内建电场，实现了MEG效应的有效利用。在强大的内置电场、MEG 效应和级联能带结构的协同作用下，CdTe-4.2/V-In2S3-3的电荷分离动力学得到显著提升，从而实现了优异的光催化活性，STH 效率为 1.31%。 这种方法为开发在 MEG 状态下运行的光催化装置开辟了一条有前景的设计路线，以实现有效的电荷分离和太阳能到燃料的转换。对于MEG光催化发展而言，在非 MEG/MEG 异质结界面处设计更大的内置电场强度（例如，使用阴离子交换法）和更好的界面电子态可能是未来的方向。就In2S3和CdTe的光吸收竞争而言，通过将波长互补的MEG组分与非MEG组分结合，构建具有宽带吸收范围的非MEG/MEG异质结可能是进一步提高性能的可行途径。 Youzi Zhang, YuKe Li, Xu Xin, Yijin Wang, Peng Guo, Ruiling Wang, Bilin Wang, Wenjing Huang, Ana Jorge Sobrido & Xuanhua Li, Internal quantum efficiency higher than 100% achieved by combining doping and quantum effects for photocatalytic overall water splitting, Nature Energy 2023 DOI: 10.1038/s41560-023-01242-7 扫码关注我们
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