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清华大学材料学院朱宏伟教授课题组在孪晶结构催化水分解方面取得新进展
文章来源:未知     点击数: 次     更新时间:2018-10-12 12:58

 据报道,2018年10月4日,清华大学材料学院朱宏伟教授课题组在《先进能源材料》(Advanced Energy Materials)上发表了题为《孪晶结构BiVO4光阳极促进载流子的分离和传输提高产氧性能》(Twin Structure in BiVO4 Photoanodes Boosting Water Oxidation Performance through Enhanced Charge Separation and Transport)的研究论文。该论文提出了制备具有孪晶结构的BiVO4光阳极的方法,验证了孪晶结构形成的同质结有利于促进载流子的分离和传输从而提高BiVO4的产氧性能。

 

BiVO4具有较小的带隙(~2.4 eV)、合适的能带结构和较好的稳定性,是目前有发展前景的光阳极材料之一。但是,BiVO4的载流子的分离效率低和传输过程缓慢显著增大了载流子的复合。BiVO4单晶体几乎没有晶体缺陷,能够有效降低载流子在BiVO4体内的复合。然而,单晶体的非定向且长距离传输依然会增大载流子的复合。而具有孪晶结构的BiVO4单晶颗粒提供的“背靠背”的势垒和定向传输有利于促进载流子的分离和传输,从而显著提高BiVO4的光电化学性能。

 

朱宏伟教授课题组通过退火电沉积得到的BiOI纳米片(加钒源),获得了具有孪晶结构单晶颗粒组成的BiVO4薄膜。由于BiVO4内的孪晶结构所形成的同质结有效促进了载流子的分离和传输,其产氧性能得到了显著的提升(图1)。对于BiVO4光阳极,孪晶颗粒比例占比最高的光阳极在1.23VRHE下的产氧电流密度是孪晶颗粒比例占比最低的光阳极的两倍左右。另外,为了减少暴露的基底表面带来的载流子的复合位点,通过“沉积-退火循环”法(图2)提高BiVO4在基底的覆盖度。所获得具有最优孪晶结构和覆盖度的BiVO4光阳极在0.6和1.23 VRHE下的电流密度分别为~2.1和~3.1 mA/cm2,在0.6 VRHE下可以得到1.35%的转换效率。该BiVO4孪晶的制备方法,为其它具有孪晶结构的半导体的制备提供了参考和借鉴。

 

图1 - 副本.jpg

图1 孪晶结构有效提高产氧性能的原理图

 

图2 - 副本.jpg

图2 “沉积-退火”循环制备方法示意图

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