Small Methods: 多功能镍金属层保护的单晶硅光电阳极用于高效水氧化反应

光催化分解水制氢是直接将太阳光能转化为氢能的重要途径,是一种极具发展潜力的新能源技术。水的氧化反应是一个多电子的复杂过程,被公认为是光电化学池中的限速步骤。相对于传统的氧化物半导体,单晶硅(n-type Silicon, n-Si)具有更小的禁带宽度(~1.1 eV),可以吸收太阳光谱中大部分的可见光,并且其载流子传输距离长,来源广泛,具有成熟的产业化生产,是极具发展潜力的光电阳极材料。但是,单晶硅的光生电压小,在溶液中容易发生钝化,表面水氧化反应动力学迟缓等缺点,严重地限制了它的发展和应用。因此,设计和制备高效稳定的单晶硅光电阳极是发展光解水制氢技术的重要挑战。

近期,天津大学化工学院巩金龙教授及其团队,利用磁控溅射技术巧妙地在单晶硅表面覆盖上一层镍金属薄膜,继而利用原子层沉积技术(Atomic Layer Deposition, ALD)在单晶硅和镍金属层之间引入Al2O3钝化层,进行界面修饰。最后,通过光辅助的电化学沉积方法,在电极表面引入NiOOH作为助催化剂,获得了高效率的单晶硅光电阳极用于水氧化反应。

研究发现,镍金属层在该单晶硅光电阳极中发挥着重要的作用:1)与单晶硅形成肖特基结,获得更高的光生电压;2)提供一个活性表面(镍金属表面形成的NiOx层),用于析氧反应;3)作为保护层,防止单晶硅在溶液中腐蚀。此外,引入的Al2O3钝化层修饰了单晶硅和镍金属的界面,使其获得了更好的界面电荷传输性质。在AM 1.5G模拟太阳光照下,所制备的单晶硅光电阳极负载NiOOH助催化剂之后,获得了640 mV的光生电压,其光电流密度也达到了28 mA cm-2(附加1.23 V vs. RHE偏压)。

相关研究论文“Multifunctional Nickel Film Protected n-Type Silicon Photoanode with High Photovoltage for Efficient and Stable Oxygen Evolution Reaction”已发表在Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201900212)上。该论文第一作者为天津大学化工学院博士生罗志斌。