Small: 氧空位介导的反置调控策略增强电荷分离

光电化学太阳能转换是解决能源需求和环境修复的有效途径,近年来吸引了科研工作者的广泛关注。然而,半导体光电极严重的电荷复合限制了其在太阳能转换方面的进一步应用。为解决该科学难题,异质结的构筑、掺杂、助催化剂的负载等策略被提出并被广泛应用于光电极的构筑,其中助催化剂的负载是最为常用的一种增强光电极表面催化反应动力学增强电荷分离的手段。但是助催化剂的引入可能会影响半导体本身的吸光性能以及在助催化剂与半导体之间形成光生电荷的复合中心,进而影响光电极性能的提升。因此,发展高效的电荷分离策略对于构筑更为有效的光电极具有重要意义。

天津大学/西北师范大学卢小泉教授课题组针对该科学问题,提出了一种新策略即反置调控策略来增强电荷分离。以卟啉作为模型分子,构筑了一种光电阴极体系,不同于通过对电子的调控实现半导体光阴极光生电荷的分离,该工作是通过改变NiO中氧空位的浓度实现对卟啉光生空穴的调控,进而加速电子转移,最终实现了光生电荷的高效分离。相关结果以“Enhancing Charge Separation through Oxygen Vacancy-Mediated Reverse Regulation Strategy Using Porphyrins as Model Molecules”为题发表在Small (DOI:10.1002/smll.202001752)上。

该工作通过不同温度的煅烧在NiO中引入不同浓度的氧空位,之后以旋涂的方式构筑了含有不同氧空位浓度的NiO/卟啉光阴极体系。研究发现,较于纯卟啉体系,含有适量氧空位浓度的NiO/卟啉集成体系展现出了较高的光电流密度(约40倍)以及更长的载流子寿命(约13倍)。此外采用强度调制光电流谱(IMPS)和扫描光电化学显微镜(SPECM)技术从微观角度揭示了PEC性能提升的原因。IMPS结果表明NiO中的氧空位可以调控卟啉光生空穴转移动力学,进而有效地抑制光生电子与空穴的复合,增强电荷分离。SPECM结果进一步实现了原位定量地对电子转移动力学的量化,动力学拟合数据表明氧空位对空穴转移的调控影响电子转移动力学,最终实现了高效的电荷分离,使得体系展现出了较高的PEC性能。该策略的提出为太阳能向化学能的高效率转换提供了新的思路与见解。