设计构筑基于TiO2的高效光解水体系:有序纳米锥阵列核/壳结构

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       自通过利用TiO2电极光催化分解水产生高能量密度、零污染的氢气以来,成本低廉、制备简单、光化学稳定且安全无毒的TiO2被广泛地应用于光催化分解水产生氢气等太阳能转换方面的研究。然而,TiO2较宽的禁带宽度(锐钛矿相3.2 eV,金红石相3.0 eV)限制了其只能吸收利用仅占太阳光4%的紫外光;同时,TiO2较低的电子迁移率(1 cm2 V-1 s-1)和较短的载流子扩散距离(10-100 nm)降低了光生电子空穴对的分离和迁移效率,从而制约了光解水产氢的效率。于是寻找有效的途径来提高TiO2的光解水效率成为太阳能利用领域重要的研究课题之一。

        近日,德国伊尔姆瑙理工大学雷勇教授课题组以高度有序的多孔氧化铝模板为基础,通过原子层沉积技术(ALD)设计构筑了一种基于TiO2的新型的三维纳米锥阵列核/壳结构在该领域取得突破。该三维纳米锥阵列核/壳结构体系具有独特的优势:1)高度有序纳米锥阵列的有效减反作用和表面均匀Au纳米颗粒的等离子共振效应增强了体系对于太阳光(尤其是可见光部分)的有效吸收和利用;2)AZO/TiO2核壳结构的设计使得TiO2壳中所产生的光生电子-空穴对能够在界面垂直方向很短距离内快速的分离并迁移,从而减少了光生电子-空穴对在TiO2壳层内部的复合率;3)采用ALD精确控制三维空间上TiO2的生长厚度,从而最大程度的收集和利用TiO2耗尽层和扩散层中所产生的光生电子-空穴对;4)优化设计的Au纳米颗粒还能够很好的充当氧化反应的催化剂进一步有效的促进电子-空穴对的分离。实验结果表明,通过利用纳米锥阵列结构及表面均匀Au纳米颗粒,该体系在紫外光和可见光部分光的吸收能力均都得到了极大的提高。随着ALD精确调控实现了TiO2的最佳厚度以及Au纳米颗粒的催化效益,该体系的光电性能提高了5倍多。此外,仅需要额外提供0.2 V的外加偏压就能够达到高至0.73%的光电化学转化效率;而且此值为已报道的TiO2/Au体系在最小偏压下的最高效率。该工作设计充分有效的利用了三维纳米椎阵列核/壳结构以及表面等离子体效应,不仅为进一步构筑高效的太阳光转化体系提供了新的思路,同时也为其他的能源转化体系的设计提供了很好的参考。本工作发表在 Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201501496)上。