Fe 2TiO 5/Fe 2O3/Pt光陽極合成示意圖及光電催化分解水性能
太陽能光催化分解水制氫是解決目前能源短缺與環境汙染問題的理想途徑之一. 氧化鐵 (α-Fe 2O3) 具有較高的穩定性, 較低的能帶結構 (2.1eV) 以及自然儲備豐富等優勢, 成為光電催化分解水制氫領域中的重要材料. 然而, 氧化鐵具有導電性差, 光生電子-空穴複合較快等缺陷, 嚴重限制了其實際應用.
中國科學院蘭州化學物理研究所能源與環境納米催化材料組與德國埃爾朗根-紐倫堡大學教授Patrik Schmuki合作研究, 在超薄α-Fe 2O3材料光電催化分解水及其光生電荷分離研究方面取得新進展.
研究人員在導電基底生長厚度可控的Pt納米金屬層, 並沉積超薄α-Fe 2O3納米層. 在α-Fe 2O3/Pt基礎上進一步原位合成 Fe 2TiO 5層從而形成 Fe 2TiO 5/α-Fe 2O3/Pt '三明治' 異質結構光陽極. 在此結構中, 金屬Pt納米層可以有效提高α-Fe 2O3光吸收性能; 由於其具有較低的費米能級, 有效促進了光生載流子分離和光生電子快速遷移. 此外, Fe 2TiO 5與α-Fe 2O3具有匹配的能帶結構, α-Fe 2O3納米層產生的光生空穴向 Fe 2TiO 5層快速遷移, 進一步降低載流子的複合幾率並促進水氧化反應.
在類比太陽光照射下 (AM 1.5G, 100 mW cm -2) , '三明治' 異質結構Fe2TiO5/α-Fe 2O3/Pt光陽極表現出優異的光電催化分解水活性及穩定性, 其光電流密度與純相αFe 2O3相比提高近1.5倍. 此異質結構光陽極的設計可有效提高半導體材料的光吸收性能, 並可促進光生電荷快速分離與遷移, 對構建高效太陽能光電催化分解水體系具有指導意義.
相關研究結果發表在Advanced Functional Materials和Journal of Materials Chemistry A上. 研究工作得到了國家自然科學基金委, 蘭州化物所 '特聘人才計劃' 以及羰基合成與選擇氧化國家重點實驗室的經費支援.
