双有序孔道结构:光的选择与增强

太阳能作为一种安全、无污染的天然绿色能源,是保证人类持续发展的重要能量来源,具有其它能源不可比拟的优点。将太阳能转换为电能或化学能是利用太阳能的有效手段,但是由于太阳光的能量密度低,且分布不均匀,如何有选择地利用并增强太阳光的吸收,对实现太阳能的高效利用至关重要。

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反蛋白石结构光子晶体具有特殊的周期结构,通过组成与结构设计可实现对光子运动的控制,在光电子器件、催化、传感等领域有着巨大的应用价值。然而,由于单一的宏孔结构比表面积不够大,应用于染料敏化太阳能电池或光催化时,对染料或目标物的吸附量有限,限制了电池效率和催化性能的提升。此外,通过宏孔尺寸实现对特定波长光的吸收或反射的精确调控仍是一个巨大挑战。

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中国科学院过程工程研究所王丹研究团队与其合作者利用双模板法合成了一种宏孔呈有序周期排列且孔壁由有序介孔TiO2组成的反蛋白石结构。采用时域有限差分法(FDTD)模拟了反蛋白石结构中宏孔尺寸对不同波长光散射能力的影响规律:宏孔尺寸为195 nm时,对可见光的散射能力最强;宏孔尺寸为285 nm时,对紫外光的散射能力最强。由于TiO2双有序多孔薄膜能够吸附更多的染料,而且染料吸收光的波长范围与宏孔尺寸为195 nm的双有序多孔薄膜光散射最强的波长范围恰好吻合,能够极大促进染料对光的吸收利用;将TiO2双有序多孔薄膜与P25薄膜组成四层结构的光阳极,宏孔尺寸为195 nm的薄膜光电转换效率最高,可达9.2%,与传统的P25薄膜相比提升了近40%。对应的,由于285 nm宏孔对紫外光的强散射,导致能够被吸收的紫外光非常有限,宏孔尺寸为285nm的TiO2双有序多孔薄膜应用于需要紫外光激发的光电解水析氢反应时活性最差。因此,根据不同的应用需要可以精确地定向设计合成出性能最优的双有序孔道结构。该研究为通过结构设计实现功能材料的性能增强提供了新思路。相关论文发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201604795)上。