提高半导体薄膜光催化产氢性能:纳米微结构的设计至关重要

太阳光光催化产氢(利用半导体转化光能为化学能来产生氢气)在新能源领域方面有很好的应用前景。目前,光催化产氢主要有两种方法:1)光电化学方法(Photoelectrochemical Cell, PEC),需要外加一定的偏压;2)直接光催化分解水(photocatalytic water splitting or Direct Heterogeneous Reaction,DHR),即半导体颗粒直接分解水分子。

目前,TiO2是这光催化产氢领域最具有代表性的活性半导体材料。为了更好的了解材料的形貌及性质对光催化产氢性能的影响,新加坡南洋理工大学的陈忠课题组比较制备了TiO2的三种独特微观结构的薄膜,并发现不同的结构对其两种光催化产氢气的方法有重要的影响,即PEC性能最好的样品在DHR反应中并不是最佳。经过一系列的表征、阻抗谱测量与理论计算,该研究展示了TiO2材料的内在电子性质与他们的外在形貌的关联,并讨论了在不同的应用模式下,不同电子传输性质在不同结构的优劣势。该研究工作最近发表在Advanced Energy Materials上。其主要结论有: 

a) 原位转化制备出的材料有更紧密的晶体相连而利于电子传导,若其额外具有一维的纳米结构,则导电粒子可更容易被电极收集,从而使其特别适用于光化学电极模式。

b)拥有高能晶面的材料特别适用于直接光催化分解水。在光的激活下,高能晶面更利于导电粒子从半导体到电解液的传导,且不同的暴露晶面组合利于电子与空穴的分离。

这项工作从内在原理解释了材料电子性质,材料微结构,与不同应用模式产氢性能三者间的联系。对光催化产氢材料的设计具有指导性作用。