Small Methods:图案化二氧化钛/硼掺杂金刚石异质结的可调控光电催化

由P型和N型半导体构成的P-N异质结由于常用做在能源和环境应用领域中使用的电、光或者光电催化剂,因此成为材料、化学、环境、能源等领域的研究热点之一。分别具有光催化活性和电催化活性的两种半导体材料常被用来构建这类P-N异质结以提高光电催化效率,然而如何提升两种材料的化学兼容性以及界面处电荷的迁移和分离依然尚未明确。

近年来,P型硼掺杂金刚石因其拥有宽电势窗、低生理毒性和高化学稳定性等特性已被用于制备高效稳定的二氧化钛/硼掺杂金刚石异质结,从而达到减少二氧化钛光生电子和载流子的再结合效率。在已见报道的二氧化钛/硼掺杂金刚石异质结中,硼掺杂金刚石表面被二氧化钛完全覆盖,其电催化活性被全部抑制,严重制约了光电催化的性能。

近期,德国锡根大学姜辛教授课题组与合作者制备了一种图案化的二氧化钛/硼掺杂金刚石异质结,通过异质结表面所暴露的图案化硼掺杂金刚石比率的调控巧妙的实现了二氧化钛/硼掺杂金刚石异质结可调控光电催化。该图案化的二氧化钛/硼掺杂金刚石异质结在光电催化降解有机物领域表现出优异的降解效率和稳定性。性能测试结果表明,20%硼掺杂金刚石暴露比率的该异质结的光电流值达到0.63 mA cm-2,分别是相同条件下硼掺杂金刚石电极和传统二氧化钛/硼掺杂金刚石异质结的2.86倍和1.91倍。对于光电降解甲基橙,硼掺杂金刚石电极和传统二氧化钛/硼掺杂金刚石异质结的降解效率分别只有该图案化的二氧化钛/硼掺杂金刚石异质结的56%和45%。电子自旋共振谱结果显示在这个异质结上有更多羟基自由基生成。该研究表明,这种图案化的二氧化钛/硼掺杂金刚石异质结提升光电催化效率的主要原因有:(1)图案化的硼掺杂金刚石在异质结表面构成超微电极阵列;(2)二氧化钛和硼掺杂金刚石之间的异质结效应;(3)垂直方向上的电荷迁移。此研究为进一步设计开发新型异质结光电极材料及器件提供了一种可资借鉴的新方法。

相关论文以“Tunable Photo‐Electrochemistry of Patterned TiO2/BDD Heterojunctions”为题发表在Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.202000257)杂志上。文章第一作者为德国锡根大学博士研究生菅泽,通讯作者为德国锡根大学杨年俊博士、Michael Vogel博士和姜辛教授。