波士顿学院Joule: 王敦伟团队提高氮化钽光裂解水稳定性

深海万里 6年前 (2018-03-04) 5361浏览

【引言】

作为储存太阳能的有效手段，利用半导体材料来进行光催化反应（例如光解水以及光还原二氧化碳）具有非常重要的研究意义。其中，关于半导体材料与电解液间界面的理解对于进一步提高光催化剂的性能尤为重要。氮化钽（Ta₃N₅）作为一种非常有希望的光阳极材料，它的光氧化水性能主要局限于发生在半导体与水之间的自氧化副反应。如何避免这种副反应成为提高氮化钽性能的当务之急。相关成果发表在Cell Press旗下的能源期刊Joule上（Joule 1, 831-842, 2017）

【成果简介】

在美国波士顿学院的王敦伟实验室，何昱旻和马培艳等发现在氮化钽纳米管阵列上通过水热的方法沉积氢氧化钴（Co(OH)₂）纳米薄片能有效提高氮化钽光氧化水的光电流密度以及稳定性。氮化钽本身在光氧化水条件下极不稳定，与此同时光电流密度会快速下降。恰恰相反，在沉积了氢氧化钴纳米薄片后，氮化钽的光电流密度随着光氧化水的时间增加而提高并趋于稳定。在此基础之上，沉积另一种高效的氧化水催化剂（Co-Pi）可以进一步提高光电流密度。当没有光照的情况下，这种不同寻常的现象不会发生。对于氮化钽和氢氧化钴间界面的研究进一步表明，一个光诱导形成的界面减弱了费米能级钉扎效应，从而改善了光激发电子-空穴对在表面的复合，与此同时加快了光空穴的传导，从而减少了自氧化副反应的发生。这个界面被解释为在光氧化水过程中产生的氧自由基引导生成的Ta-O-Co键。这个发现表明了利用催化剂与半导体间的反应来提高光催化剂性能的可行性。

【图文导读】

图1. (A) 示意图表明氮化钽本身在光氧化水条件下的自氧化以及在沉积了氢氧化钴后在光氧化水条件下形成新的界面。（B）沉积了氢氧化钴后氮化钽的光电流密度随着循环伏安次数的增加而升高。类似的现象在电流密度-时间的曲线中也可以观察到，见（C）。

图2. 在氢氧化钴的基础上沉积Co-Pi能够进一步提高光电流密度并保持氮化钽的稳定性。

图3. （A）沉积了氢氧化钴后氮化钽的光开路电压随着光氧化水时间的增加而负移，从侧面反映了费米能级钉扎效应的减弱。（B）光激发电子-空穴的复合速率常数随着氢氧化钴的沉积以及光氧化水时间的增加而降低。（C）在X射线光电子能谱中，氮化钽表面钽的结合能随着光氧化水的发生负移，从侧面表明Ta-O-Co键的形成。