Solar RRL: [100]高取向TaON薄膜光阳极提高光电化学分解水活性

光电化学分解水制氢技术因其具有理论效率高、价格低廉、清洁无污染等众多优点,有望成为未来氢能的主要来源,在解决未来能源问题中具有重要的潜在应用。然而,目前较低的光电转换效率,严重制约了光电化学分解水产氢技术的发展及应用。因此,进一步提高光电化学分解水效率,制备高性能的光电化学电极是推动其进一步发展的关键。

在众多光电极材料中, TaON相对于氧化物半导体材料具有更高的导电性,合适的能带位置和良好的可见光吸收能力,成为制备高性能光阳极的最佳材料之一。然而,目前TaON光阳极的光电化学分解水活性远低于其理论值。其根本原因是,由于TaON材料中电荷传输具有强烈的各向异性,而在由传统高温氧化物氮化法制备的TaON光阳极中,TaON纳米颗粒取向杂乱导致的光生载流子分离效率较低。理论计算表明,在TaON中,电子和空穴分别沿[100]和[001]方向传输最快,因此,[100]高取向TaON纳米结构理论上具有最高的载流子传输和分离效率。然而,目前制备[100]高取向TaON纳米结构依然具有很大的挑战。

近期,山东大学晶体材料国家重点实验室黄柏标教授和王泽岩副教授团队以(012)LiTaO3单晶作为衬底,首次通过内延生长制备了[100]高取向TaON薄膜。由该薄膜制备的[100]高取向TaON光阳极,在光电化学分解水中表现出较高活性。在AM1.5G模拟太阳光照射下,光电流密度达到了2.84 mA cm-2(1.23 V vs RHE)。通过负载Co4N作为助催化剂,其光电化学分解水活性和稳定性进一步提高,光电流密度达到5.32 mA cm2(1.23 V vs RHE, AM 1.5G)。研究者认为,该方法为制备高取向氮(氧)化物薄膜提供了新的方法,为制备高性能光电化学光阳极提供了新的思路。

相关工作在线发表在 Solar RRL(DOI:10.1002/solr.201700243)上。

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