双钙钛矿型钡铋铌氧化物的能隙工程及其光解水应用

随着传统能源的快速消耗和全球环境的迅速恶化,发展清洁、可再生能源成为当今科研和应用技术领域的重要关注问题。在多种清洁能源中,氢能因其作为一种能量密度高并且环境友好的能源形式,一直受到人们的关注。直接从电分解水获得氢气是一种无污染的获取氢能的方式,其中通过半导体光催化剂进行光电化学分解水将太阳能直接转化为氢能更是一种绿色、可操作、经济的方法。基于半导体光吸收基体和共催化复合光催化体系成为了一种比较适用的光解水体系。但是要提高太阳能-氢能转化效率,其中构建高效光吸收基体材料仍然是一个巨大挑战。因此,开发具备高效可见光吸收、化学性质稳定和廉价的半导体吸光材料,提高光生载流子密度,从而可获得较高的催化效率和稳定性,是发展分解水制氢研究和应用的关键。

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围绕该领域在近年的研究发展热点,Toledo大学物理系的鄢炎发教授课题组报导了一种可应用于光催化分解水的新型可见光催化材料。这种材料基于自然界广泛存在的周期表种II, IV主族和V副族材料,形成分子式为 Ba2Bi1.4Nb0.6O6,双钙钛矿结构的新材料。为设计这种新型吸光材料,鄢教授课题组从第一性原理计算出发,预测了当氧化物中如果Bi过量,而Nb相应不足的时候,电子势能较低的Bi 6s轨道会构成材料的导带底,且在材料的电荷平衡情况下材料的带隙会显著降低。从而具备更高的光子吸收潜力。同时项目组进一步合成并表征了该材料,证实了Ba2Bi1xb1-xO6体系的双钙钛矿结构的新型氧化物,随着成分中x值的变化,材料的光吸收性能明显呈规律性变化。且当x在0.4时,材料呈单一组成,具备1.64 eV 能隙的n型半导体材料。详细的电化学表征表明,这种材料是潜在的化学性质稳定的新型光解水催化材料。

不同于常规掺杂调整电子能带结构的改性方法,该项工作致力于稳定、高活性光催化材料的理性从头设计,避免了掺杂所引起的稳定性下降和载流子陷阱的产生。 从而为高效、稳定的光催化材料设计提供了新的可行的思路。以上成果已于近期发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201602260)上。