Small Science: 多级异质结MOF材料提升光电催化性能

随着人类社会步入工业化时代,人们对于化石燃料的依赖造成了二氧化碳的过量排放与全球变暖等严重的环境危机。为了降低人们对化石燃料的依赖并缓解与日俱增的温室效应,研究者们尝试利用光电催化的方法分解水以制取清洁高效的氢能源。但是由于水分解反应中水氧化反应复杂的界面反应过程与半导体光阳极中严重的载流子复合作用,实际的光电催化水分解反应效率往往较低。近年来,MOF材料由于其独特的物理化学性质,如大比表面、丰富的活性位点等,引起了研究者们广泛的兴趣。然而目前对MOF材料半导体特性的研究尚不深入,制约了其在光电催化领域的应用发展。因此,利用MOF材料开发高性能的光电催化水分解光阳极材料具有重要的意义。

近日,悉尼大学悉尼纳米中心黄骏教授与郑荣坤教授共同合作在Small Science上发表研究论文报道了基于MOF的多级异质结修饰光阳极材料,显著提高了光生载流子有效分离效率。在本工作中,通过调整Co/Zn比例,可以制备能带结构可调的ZIF-CoxZn1-xx=1.0, 0.9, 0.8, 0.7)。之后,连续电沉积ZIF-CoxZn1-xx=1.0, 0.9, 0.8, 0.7)构建多级异质结作为空穴传输通道,光阳极的载流子分离与传输性能可获得显著改善。同时由于其独特的组分特点,电极/电解液界面处的载流子注入性能表现出明显提升。在此基础上,相比于平面结构电极,由于Co3O4骨架带来的多重光散射作用,入射光的传播路径明显延长,从而使光阳极的光捕获性能获得有效改善。因此,基于上述协同增强效应,相比于TiO2,ZIF-CoxZn1-x/Co3O4/TiO2光阳极表现出优秀的光电催化水氧化性能。这一工作将拓宽高性能光电催化系统的构建思路与MOF材料在光电-能量转换领域中的应用范围。相关论文发表在Small Science 上。

论文信息:

Multigraded Heterojunction Hole Extraction Layer of ZIF‐CoxZn1−x on Co3O4/TiO2 Skeleton for a New Photoanode Architecture in Water Oxidation

Rui Tang, Lizhuo Wang, Meihui Ying , Wenjie Yang, Amanj Kheradmand, Yijiao Jiang, Zhiyun Li, Yi Cui, Rongkun Zheng, Jun Huang

Small Science

DOI:10.1002/smsc.202000033