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光學工程
蘭州化物所等在Fe2O3納米陣列光電催化分解水研究方面獲進展

利用太陽能光電催化分解水制氫是解決目前能源短缺與環境污染的有效手段之一。然而,目前半導體材料普遍存在較高的光生電子-空穴復合率,導致其光電催化性能較低并嚴重限制了其實際應用。

圖1 ?Au/Fe上α-Fe2O3/FeOOH NFs的形成示意圖

中國科學院蘭州化學物理研究所能源與環境納米催化材料組與德國愛爾朗根-紐倫堡大學教授Patrik Schmuki開展了深入合作研究。近期,他們在Fe2O3納米帶陣列光電催化分解水及其光生電荷分離研究領域取得新進展。

圖2 ?結構、形貌表征

研究人員通過熱處理方法在鐵基底上原位生長具有均一結構的Fe2O3納米帶陣列,并在其表面選擇性地構筑了超薄FeOOH納米層及Au納米顆粒,從而形成了具有獨特結構和高效光生電荷分離的半導體光陽極材料。其在模擬太陽光照射下(AM 1.5G)表現出了優異的光電催化分解水性能及穩定性,1.23 VRHE 和1.6 VRHE的光電流密度可達3.2 和6.5 mA cm-2。研究人員進一步對其光生電子-空穴分離機理進行研究,發現Au納米顆粒表面等離子共振效應形成的熱電子注入超薄FeOOH納米層,而Fe2O3納米帶陣列產生的光生空穴同時向FeOOH層快速遷移,并與Au納米顆粒注入的熱電子快速中和,從而形成了具有獨特光生電子-空穴分離作用的空穴消耗層。而Fe2O3納米帶陣列分離后光生電子快速轉移至對電極參與水還原反應,同時Au納米顆粒表面富集的熱空穴參與水氧化反應。

圖3??電性能表征

此設計結構可以有效促進半導體材料的光生電荷快速分離與遷移,并且對構建高效太陽能光電催化分解水體系具有一定的指導意義。相關研究結果發表在Nano Energy(2017, 35, 171)、ChemSusChem(2017, DOI: 10.1002/cssc.201700522)等期刊。文獻閱讀

圖4??其它表征

以上研究工作得到了國家自然科學基金委、蘭州化物所“特聘人才計劃”以及OSSO國家重點實驗室項目經費支持。


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