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我國科學(xué)家研制出表現(xiàn)優(yōu)異的光電化學(xué)制氫性能

2021-07-27 13:31:30 來源：科技日報

記者26日從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校俞書宏院士團(tuán)隊基于窄帶隙半導(dǎo)體材料，設(shè)計了一種具有近紅外活性的晶格匹配的形貌異質(zhì)結(jié)光陽極材料，所研制的異質(zhì)結(jié)表現(xiàn)出優(yōu)異的光電化學(xué)制氫性能。相關(guān)成果日前發(fā)表在《自然·通訊》上。

將太陽能直接轉(zhuǎn)化為化學(xué)燃料提供了一種存儲可再生能源的方法。然而，光電化學(xué)制氫的實際應(yīng)用依然受阻于其低的能量轉(zhuǎn)換效率。目前，越來越多的半導(dǎo)體可以作為光陽極材料。但是，這些半導(dǎo)體一般具有寬的帶隙，這將他們的光譜吸收范圍限制在紫外光區(qū)和可見光區(qū)。但是紅外光占了太陽光能量的50%左右，所以，將材料的光譜吸收范圍擴(kuò)展至紅外區(qū)有助于器件的效率大幅提升。

窄帶隙半導(dǎo)體具備近紅外光譜吸收能力。然而，窄帶隙半導(dǎo)體中的電子—聲子相互作用會導(dǎo)致光生載流子的壽命變短，這會導(dǎo)致催化劑表面的光生空穴濃度降低，進(jìn)而降低了表面氧化反應(yīng)發(fā)生的概率。至今，近紅外光活性光陽極的光電轉(zhuǎn)換效率（IPCE）始終難以提高。

研究人員設(shè)計了一種具有晶格匹配的形貌異質(zhì)結(jié)的三元合金基光陽極，該電極的光譜吸收范圍擴(kuò)展到了1100納米，其光電化學(xué)制氫的能量轉(zhuǎn)換效率得以改善。晶格匹配的形貌異質(zhì)結(jié)由于避免了晶格失配的影響而降低了界面缺陷的存在，有利于降低光生載流子的復(fù)合速率。實驗證明，異質(zhì)結(jié)的存在提高了光生載流子的分離效率，進(jìn)而延長了載流子的壽命。因此，在近紅外光下，該材料光陽極的IPCE和光電流密度均展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。

這項研究提出了一種具有近紅外活性的形貌異質(zhì)結(jié)的構(gòu)筑策略。通過將窄帶隙半導(dǎo)體的優(yōu)勢整合到晶格匹配的形貌異質(zhì)結(jié)中，為設(shè)計有效的近紅外活性的光電化學(xué)器件提供了新的可能性。

標(biāo)簽：化學(xué)燃料半導(dǎo)體材料光電化學(xué)制氫可再生能源