ATO大孔-Fe2O3纳米棒异质结实现高性能光电催化分解水

advs201500049-gra-0001-m寻找资源丰富、环境友好的新型可再生替代能源已成为人们关注的焦点。太阳能所蕴含的能量巨大,高效利用太阳能是解决未来能源问题的可行方法之一。近年来,利用光电催化将太阳能转换为可储存的化学能,如分解水制氢或还原二氧化碳制备碳氢化合物,受到了广泛的关注。其中,寻找合适的光电材料是光电催化研究中的重点。利用纳米材料的优势,在微观尺度范围设计合成高效的光电极,被认为是一种有效的提升材料光电化学性能的策略。α相三氧化二铁(α-Fe2O3),因为其吸光光谱范围广,物理化学性质稳定,同时原料低廉易得,被认为是一种理想的光阳极材料。但是其电子传输能力较差且空穴扩散距离很短,与其光穿透深度较长的性质形成矛盾,因此高效的光吸收和高效的电子传输难以兼顾。

针对这一问题,近期中山大学化学与化学工程学院匡代彬教授课题组,通过引入掺锑的二氧化锡(Sb:SnO2, ATO)透明导电大孔结构,用以负载三氧化二铁纳米棒,构建出三维ATO大孔- Fe2O3纳米棒结构的光阳极材料。相比于通常直接在导电玻璃上合成出的三氧化二铁纳米棒阵列光阳极,这种三维结构光阳极具有更多的三氧化二铁负载量,由此带来更多的反应位点用以参与光电催化分解水反应。此外,由于ATO大孔导电骨架的存在,三氧化二铁中受激发的电子传输至导电玻璃基底变得更容易,从而减小了电子复合的概率,提升了电子收集效率。最后,通过简单的TiCl4后处理,同时实现了对三氧化二铁的钛元素掺杂和形成了二氧化钛钝化层,进一步提升了材料的性能。这种新颖光阳极材料具有较高的光捕获效率和电子传输效率,因而获得了3.27 mA cm−2 (VRHE=1.23 V)的光电流密度,相关结果发表在近期的Advanced Science上(DOI: 10.1002/advs.201500049)。这一工作表明通过纳米工程构建基于三维结构透明导电电极的材料在光电催化应用中具有极大的前景,也为太阳电池、电致变色等其他应用提供了潜在的方向。