【写作竞赛】一种用于光电解水的高性能Ta3N5垂直阵列

随着能源枯竭、环境污染问题日趋严重,人们开始把目光投向氢能这一新型的清洁能源。但氢气的来源一直没有得到很好的解决,传统制氢方法存在着污染和不可持续的问题。因此,氢能的真正推广应用急需一种高效、绿色且可持续的制氢技术作为强有力的后盾支持!光电解水制氢是一种绿色能源转换技术,它将自然界中的消耗不尽的太阳能产生的电能用来电解水制备氢气,有效的解决了氢气的来源问题。自从1972年科学家首次建立了通过光电解水的方法将光能转化为氢和氧后,光催化技术在环境和能源领域得到广泛发展。

光电解水制氢技术的技术瓶颈在于如何提升目前有限的光电转换效率,而其中关键之一就是光电极的性能。光电极材料一般是半导体化合物,要求其导带和价带性质不仅在无需外加偏压的情况下支持水的电解,同时还能吸收大范围波长的太阳光。近些年,研究者们发现氮化钽(Ta3N5)是一类比较理想的光电极材料,也进行了大量的研究,但材料性能仍显得十分有限,存在巨大的提升空间。

最近科学家发明了一种新的制备氮化钽Ta3N5垂直阵列光电极的方法,在钽(Ta)基底上构筑多孔阳极铝(PAA)蒙板,然后将Ta基底部分氧化原位生长Ta2O5纳米棒,除去PAA模板后再以NH3为氮源进行氮化制备了Ta3N5光电极。这种Ta3N5材料在AM 1.5G ,100 Mw/cm2的模拟光照下光电流可达3.8 mA/cm2,在仅利用了33%的Ta3N5阵列面积下最高效率可达41.3%,是薄膜型Ta3N5的3.2倍。在此基础上,通过进一步修饰磷酸钴制备的复合催化剂在稳定性方面获得了巨大的提升。

该研究提出的规模化构筑高性能光电极的新方法,将为促进光电解水技术的迅速发展提供了重要科学线索。合成过程中巧妙地利用多孔蒙板在钽基基底上制备强度和界面性质优异的氮化钽,对高性能半导体材料的设计具有重要意义。涉及的制备方法和材料可规模化生产,可进行灵活的修饰和调控,具有很好的应用前景。