探索优化光电极中载流子传输的策略

将太阳能转化成氢能来发展氢能源经济是人类社会可持续发展的必由之路。光电化学分解水制氢是太阳能-氢能转换中具有重要应用前景的技术。经过近50年的发展,光电化学分解水制氢技术遇到了瓶颈,主要是缺乏高效稳定的光电极。近年来,通过沉积TiO x保护层的策略,部分光电极的稳定性得到了显著提升,因此,提高光电极的太阳能-氢能转换效率成为一项愈加重要的任务。其中,改善光电极载流子传输能够有效地提高太阳能-氢能转换效率。着重讨论了几种改善光电极中载流子传输的策略:制备有利于载流子扩散和迁移的纳米结构;通过掺杂提高材料的导电性;通过制备工艺的优化减少阻碍载流子传输的缺陷;构建半导体结;使用与材料多子输运匹配的导电衬底或引入少子阻隔层等。     

兰州化物所纳米多孔结构光阳极材料研究获系列进展

正光电催化分解水制氢可实现太阳能到化学能的转化,是获得清洁能源的一个重要途径。如何发展具有高效太阳能光电催化性能的半导体光阳极材料是实现太阳能清洁应用的关键问题。纳米多孔半导体材料因其较高的比表面积、良好的光吸收等优异性能,在太阳能光电催化研究领域备受关注,然而纳米多孔材料的光吸收及其光电催化作     

光电化学水分解中基于半导体的界面工程策略和载流子动力学表征技术的研究进展（英文）

为了缓解能源危机和环境问题,太阳能的应用受到了人们的广泛关注.光电化学水分解是一种极有前景的、可以将清洁可再生太阳能转化为清洁燃料的技术.提高能量转换效率无疑是光电化学水分解技术的关键.光生载流子的分离和转移速率是影响光电化学性能的主要因素之一.本综述简要介绍了一些界面工程策略以增强光阳极中光生载流子的分离和传输.此外,总结了近期在原位量化光生载流子传输动力学研究中的进展.我们的目的是帮助读者了解这一领域的最新发展,并为理解动态空穴转移提供一个独特的视角.最后,我们对发展微纳尺度电极界面光生载流子分离和转移动力学表征手段中面临的重大挑战和未来前景进行了展望.     

固态光电化学电池可以提供更高的效率

美国航空航天局喷气推进实验室的研究人员建议采用固态光电化学电池将太阳能转换成电能,其转换效率比现有电池更高。这种固态光电化学电池制备方法为将活性颗粒的纳米复合物用有机粘合剂层压在柔性聚合物衬底上。电池由一染料敏化半导体电极、质子传导固体电解质和一固体质子插入式反电极构成。     

GaAs材料在光电化学电池中的稳定性

光电化学水分解制氢被誉为人工光合作用,其利用太阳能将水分解为氢气和氧气,是未来可持续能源体系潜在的重要能源转换手段.随着光电化学电池的发展,光电化学电池的转换效率得到了大幅提升,然而光电化学电池的使用寿命却与实际应用标准寿命(10年)相差甚远.光电化学电池材料体系中Ⅲ-Ⅴ族半导体GaAs由于其优异的光物理性能逐步受到科学家们的广泛关注.然而,GaAs在光电化学体系中存在严重的光腐蚀问题.如何在充分发挥GaAs本征优势的前提下提升其在电解液中的稳定性近年来已成为Ⅲ-Ⅴ族半导体研究的热点.研究表明,针对不同环境下GaAs电极的腐蚀机制设计不同保护层薄膜对GaAs进行防护,能有效地在保证转换效率的前提下延长GaAs电极的寿命.本文从GaAs材料在不同酸碱性电解液中的腐蚀机理出发,针对GaAs在不同溶液环境中的有效保护措施进行综述,着重阐述了现有手段对GaAs材料在溶液中稳定性提升的成果,同时展望了GaAs材料的未来发展趋势.     

广东省纳米微米材料研究重点实验室在光电分解水制氢领域取得进展

<正>广东省纳米微米材料研究重点实验室近期在国际顶级期刊Nano Letters上发表论文,报道了一种在光电极表面有效负载助催化剂的三维去耦合新方法。光电化学分解水制氢是将太阳能直接转换为绿色高能量密度化学能的重要方式,承载着人类对无碳氢能社会的憧憬。影响制氢效率的三个关键因素为光电极对光的吸收与利用,光生载流子的传输与分离,以及光电极表面分解水反应的速率。助催化剂能有效地提高分解水反应动力学,但其在光电极表面的直接负载不仅负载量非常有限,而且会严重的影响吸光半导体对光的吸收与利用。     

钙钛矿铁电材料光电化学性能调控策略

钙钛矿铁电材料晶体的正负电荷中心不重合引起其内部自发极化产生内建电场,利于光激发载流子的传输与分离。然而钙钛矿铁电材料多属于宽带隙半导体,存在光生电子空穴易复合问题,因此调控其光电化学性能是研究热点。介绍了元素掺杂与取代、表面贵金属沉积、半导体异质结构建和多机制耦合等调控钙钛矿铁电材料光电化学性能的原理与进展。重点关注了近年来该材料在光催化降解污染物、光催化制氢和光电化学分解水制氢等应用现状。     

稳定高效α-Fe2O3光电化学水分解——合理的材料设计和载流子动力学

氢能是非常清洁的能源。发展高效、清洁和低成本的产氢装置是利用氢能的首要关键技术问题。光电化学水分解是首选的制氢技术之一。它可实现室温下直接水分解和氢氧分离,并不完全受限于太阳光的周期性波动;其产氢装置可全部由无机材料制成,有好的化学活性和使用寿命。但是,光电化学水分解技术的效率目前还无法满足实际应用的要求,特别是还不能实现长期稳定运行,存在一定的性能衰减。在各种光电极材料中,α-Fe_2O_3是非常重要且具有潜力的稳定高效的光阳极材料,已成为近年来研究的热点。α-Fe_2O_3又称赤铁矿,储量丰富,在光电化学水分解中具有良好的稳定性、低成本和良好的太阳光谱响应等优势,已成为最具应用前景的光电极材料。然而,α-Fe_2O_3固有的一些问题诸如电荷传输差、表面复合严重、电荷转移动力学缓慢等限制了其实际应用。近年来,研究者们已发展了多种多样的策略和途径,例如掺杂、纳米化、异质结和表面处理等来解决上述问题。多种金属和非金属元素如Ti、Sn、Si、S等掺杂的α-Fe_2O_3表明,异质原子的引入会降低电子的有效质量,进而提高导电性,还会影响α-Fe_2O_3的晶体扭曲和活性位点等性质。从零维、一维、二维、三维到层级结构的α-Fe_2O_3都已经成功合成;同时,纳米化也拓展到导电基底的规则阵列图案化,α-Fe_2O_3纳米化能够促进光生空穴产生和利用,已成为α-Fe_2O_3光电化学水分解性能提升的重要途径。研发的n-n型和p-n型α-Fe_2O_3异质结如α-Fe_2O_3/ZnFe2O4、p-Si/α-Fe_2O_3等已较大地提高了其光电催化水分解性能,其中异质结很大程度上促进了α-Fe_2O_3光吸收、光生电荷分离和电极过程动力学。α-Fe_2O_3表面处理如催化剂修饰、钝化层修饰、化学/电化学刻蚀、气氛处理等,则显著改善了α-Fe_2O_3电极的电荷转移、析氧动力学,并抑制了电荷复合。本文主要从材料设计和载流子动力学这两个角度,综述了不同策略和途径对α-Fe_2O_3光电化学水分解性能的影响,分析了纳米结构以及材料复合等处理方式对α-Fe_2O_3光电极性能影响的构效关系,并进一步深入分析了光电化学水分解反应中载流子的动力学过程,建立了α-Fe_2O_3光电极性能提升和光生载流子之间清晰的物理图像。此外,本文还介绍了光电化学水分解的基本原理和物理过程。该综述可为今后合理设计制备基于α-Fe_2O_3的稳定高效光电极提供有益的理论指导与实验设计方法。     

太阳能分解水制氢取得新进展

正近日,中国科学院大连化学物理研究所在太阳能光电催化分解水制氢研究方面取得新进展。这一研究成果拓展了空穴储存层的应用,形成理性设计高效光电极的新策略和新思路,为实现高效太阳燃料制备提供重要的研究基础。半导体材料Ta3N5由于其能带结构符合热力学分解水的基本要求,且具有宽光谱响应性质,是当前太阳能分解水制氢领域研究的热点材料之一。但     

石墨相氮化碳(g-C_3N_4)用于光催化产氢的研究进展

随着社会与科技的飞速进步,化石能源急剧消耗,并且环境污染问题日益严重,寻找一种可持续的环境友好燃料能源成为了一个被广泛研究讨论的问题。半导体光催化剂的出现,为解决该问题提供了一条新途径,半导体光催化剂可以在光照的情况下通过分解水将太阳能转化为氢能,实现一种绿色环保的高热值能源的可持续生产。在众多的半导体光催化剂中,g-C_3N_4凭借制备方法简单、成本低廉、稳定性好以及合适的能带结构等优点而备受关注,但是由于其光生电子和空穴转移慢且易复合、光吸收范围较窄以及较低的比表面积,使其光催化性能不够理想,近几年众多学者针对这些问题开展了大量研究,以提升其光催化性能。本文针对g-C_3N_4的改性研究重点综述了元素掺杂改性和构建半导体异质结两方面的研究进展,归纳了目前存在的问题,提出了相应的解决建议,并对后续的发展趋势做出了展望。     

半导体纳米材料及其光电极器件分解水制氢的研究进展

自1972年发现TiO2光电极在紫外光下能分解水制氢以来,一些国家在光催化材料的制备、改性、可见光利用及光催化理论等方面已取得了重大突破。但半导体纳米材料及其光电极膜器件应用于光解水制氢的研究仍处于起步阶段。本文述评了近几年国内外半导体纳米材料及其光电极膜器件在光解水制氢方面的研究进展。     

太阳能光电催化分解水制氢研究新进展

正6月9日,中科院大连化物所催化基础国家重点实验室及洁净能源国家实验室李灿院士领导的太阳能研究团队在"太阳能光电催化分解水制氢"研究方面取得新进展。在以Ta3N5为基础的半导体光阳极研究中,发现"空穴储存层"电容效应,藉此设计并获得了高效稳定的太阳能光电化学分解水体系,相关研究成果以通讯形式在线发表在近期的德国《应用化学》杂志上(Guiji Liu,Jingying Shi,Can Li,et al.,Angew.Chem.Int.Ed.,DOI:10.1002/     

TiO2基光电化学传感器电极结构调控的研究进展

TiO_2因具有无毒、廉价、化学稳定性好以及表面易修饰生物基团等优点,受到研究者的广泛关注。然而,TiO_2存在对太阳能可见光利用率低、光生电子空穴易发生复合等缺点。通过与窄带隙半导体、有机分子、碳材料和贵金属等材料复合,可提高TiO_2的光吸收能力、光生电子空穴分离能力,进而拓展TiO_2的实际应用领域。本文对基于TiO_2的光电化学传感器的研究进展进行了概述,其中重点介绍了通过TiO_2纳米材料的改性来提高TiO_2基光电化学传感器的传感性能,最后提出了TiO_2复合纳米材料光电化学传感器的优势和不足,展望了其未来发展趋势。     

BiZnx/Si光电阴极的制备及其CO2还原性能研究

将CO₂转化为高附加值的化学品是实现碳循环, 缓解能源危机和环境问题的有效途径之一。金属与半导体复合电极, 利用光电耦合技术为CO₂转化提供了一种新思路。本研究通过电沉积的方法在碱刻蚀处理后的Si片上制备了双金属Bi、Zn共修饰的Si基光电阴极(BiZn_x/Si), 用于CO₂的光电催化还原。研究表明, 引入金属Bi和Zn能够改善光的吸收性能, 降低电化学阻抗, 提高电化学活性比表面积(ECSA)。其中, BiZn₂/Si最优的光电极电化学比表面积可达0.15 mF·cm^-2。除此之外, 研究发现双金属共同作用有助于增强电极对中间体*OCHO的吸附作用, 在-0.8 V(vs. RHE)电势下, 最优的光电阴极BiZn₂/Si生成HCOOH的法拉第效率高达96.1%。更重要的是, 光电阴极BiZn₂/Si的光电流强度在10 h内维持-13 mA·cm^-2, 表现出良好的性能稳定性。     

液相法制备Sb_2Se_3纳米材料研究进展

硒化锑(Sb2Se3)是一种具有正交晶型直接带隙半导体化合物,由于其具有良好的光电效应和热电性能,在光电化学装置、光电和热电冷却涂层器件以及太阳能设备等领域备受关注。本研究概述了近年来液相法制备纳米硒化锑研究进展,并对其发展趋势进行了展望。     

柔性BiOI@Bi_2S_3异质结薄膜的SILAR制备及性能研究

室温下,采用SILAR法在柔性ITO基底上合成BiOI纳米片阵列薄膜。为提高其光电化学性能,设计并制备了BiOI/Bi2S3、Bi2S3/BiOI杂化异质结薄膜。通过XRD、SEM及UV-VIS-NIR等对所得产物的形貌、晶体结构和光学性能进行研究。以纯BiOI,BiOI/Bi2S3和Bi2S3/BiOI作为工作电极,Pt/ITO/PET作为对电极,I-/I3-作为电解液,组装成柔性太阳能电池器件。通过太阳光模拟器测试其光电转化性能,得到性能较优的是Bi2S3/BiOI杂化薄膜所组装的柔性电池器件,其光电转化效率(η)为0.136%,短路电流(Isc)为0.597mA/cm2,开路电压(Voc)为0.376V,填充因子(FF)为0.293。     

半导体基纳米复合材料光催化研究进展

综述了半导体多相光催化的基本原理、半导体基纳米复合材料的基本结构、制备方法及复合材料在光电化学方面对材料性能的影响.着重强调了半导体基纳米复合材料与单一的半导体材料相比光催化性能的提高,并对半导体基纳米复合材料在光催化领域的研究和应用提出了一些展望.     

ZnO/Pt光阳极的水热法一步合成及其光电化学性能

展示了一种非传统的水热方法,由金属薄膜与超纯水的一步水热法合成制备ZnO薄膜负载Pt纳米粒子的光阳极催化剂。通过改变初始金属薄膜的成分,可以调节光阳极中Pt纳米粒子的负载量,并通过对光电化学催化水分解效率的测量,系统探讨Pt负载量对光阳极催化剂光电化学性能的影响。由于该水热法所生成的光阳极催化剂具有独特微纳结构,因此该ZnO/Pt复合光阳极即使在催化剂质量为微克级时仍表现出高的催化活性,并且随着Pt纳米粒子负载量的增加,其水分解性能得到提高。当Pt纳米粒子的物质的量分数为5.6%时,ZnO/Pt复合光阳极光电流密度达到最大值,约为纯ZnO光阳极光电流密度的1.3倍。不仅制备出一种高催化活性的复合光电催化剂,而且为氧化物半导体贵金属复合催化剂的制备提供了一种简单、绿色的新方法。     

不同维度碳基纳米材料的设计与合成及其在电化学储能中的应用

随着环境的恶化和能源危机,太阳能、风能等可持续能源的存储和利用变得迫在眉睫.电化学储能(EES)装置作为有效存储这些新兴能源的手段,受到越来越多的关注.电极材料对EES的性能至关重要,碳基纳米材料因其独特而突出的优势成为极有前途的电极材料.电极材料的结构设计和可控合成决定了EES的电化学性能.围绕碳基纳米材料独特而突出...     

贵金属/半导体光电阳极在直接甲醇燃料电池中的应用

直接甲醇燃料电池(DMFCs)由于具有能量效率高,携带方便和环境友好等特点,作为新型清洁能源受到越来越多的关注。阳极催化剂的优劣是影响DMFCs性能的关键因素之一。近年来研究显示,利用具有光催化活性的半导体材料作为贵金属催化剂的载体,在外界光源的照射下,能够极大地改善电极的电催化活性和稳定性。本文对该类新型光响应贵金属/半导体电极在光照条件下对增强甲醇的电催化氧化性能方面进行了总结和概述。首先,阐述了光照增强电极电催化甲醇氧化性能的基本反应机制;然后,对该类电极的制备方法以及催化活性等方面的研究进展进行了系统总结;最后,对该类电极在未来DMFCs中应用存在的问题和发展前景做了总结和展望。