Small Science:促进异质结光阳极载流子传输策略的最新进展

目前,光电化学(PEC)分解水因低能耗、无污染为绿色产氢提供了一种可能,其关键的光阳极的设计备受研究者们的关注。PEC的工作原理对于光阳极包括两个基本要求:1、宽范围的光吸收;2、具有强氧化还原能力。基于此,异质结的出现与发展为光阳极的材料的选择提供了多种可能,因此如何设计出具有高效载流子传输的异质结光阳极成为一项亟需研究的工作。

苏州大学李亮教授和田维教授综述了促进异质结光阳极载流子传输的最新研究进展,从微纳结构、能带结构、物理效应和中间层等几个方面深入研究和分析促进载流子传输的机理,概述了应用过程中面临的挑战,也指明了未来发展的机遇。作者首先概述了异质结的定义,接着为了探究载流子传输信息,介绍了TRPL、TAS、TPV、TPC、IMPS和IMVS等表征手段,然后从四个角度对促进异质结光阳极的载流子传输策略展开详细深入的分析:微纳结构、能带结构、物理效应和中间层。

微纳结构:研究者制备了一系列排列整齐的纳米形貌作为光电极,因为它们可以增加光吸收并且可作为有序的载流子传输通道,提升传输效率。

能带结构:通过构建能带匹配的异质结,例如II型和Z型异质结,促进了体相载流子传输。此外,还可以借助梯度掺杂改变半导体的电子结构,获得梯度能带,从而实现异质结的有效体相分离。

物理效应:光热效应利用可见光或红外光的照射实现纳米级局域原位加热,加快载流子的传输,加快反应动力学。同时可见光或红外光的照射对光阳极的光吸收存在一定的提升。此外压电效应、热释电效应和铁电效应分别通过施加外力、改变温差或温度变化速率和施加外电场等手段增加异质结半导体内建电场,从而加快载流子转移速率,实现了光电催化性能的提高。

中间层:在不同的异质结中引入中间层可以起到电子传输层、空穴阻挡层、能级跃迁等作用,以增强异质结中的光生载流子分离和传输能力。

在文章的末尾,作者主要从异质结的界面问题的角度出发对异质结的发展进行展望。原位生长与一步合成法应该成为构建异质结的首选方案。此外,2D层状纳米材料的出现使得垂直异质结和面内异质结成为光电催化发展的另一可能。然而,为了获得异质结界面的普遍改性方案,研究人员需要更多地关注材料的物理和化学性质,致力于改善晶格失配、热膨胀系数失配和能带失配的问题。因此,基于改善异质结界面问题的机理探索将成为未来研究的主要方向。

论文信息

Recent Progress on Semiconductor Heterojunction-Based Photoanodes for Photoelectrochemical Water Splitting

Shengnan Li, Weiwei Xu, Linxing Meng, Wei Tian, Liang Li

DOI: 10.1002/smsc.202100112

https://doi.org/10.1002/smsc.202100112