利用界面能带调控策略提高半导体硅基光阳极光电催化分解水效率

太阳能催化水分解反应是未来解决能源问题和环境污染的理想途径之一。半导体基光（电）催化剂中，光生电荷被有效分离和迁移至光催化剂表面参与水分解反应，是提高光催化效率的关键。为了解决这一关键问题，研究人员相继在国际上提出了“异质结”（J. Am. Chem. Soc., 2008, DOI: 10.1021/ja8007825）、“异相结”（Angew. Chem. Int. Ed., 2012, DOI: 10.1002/anie.201207554）和“晶面间电荷分离”（Nat. Commun., 2013, DOI: 10.1038/ncomms2401）等策略来促进光生电荷分离。然而，由于电荷转移主要发生在结界面上，光电极的光伏特性往往与界面能带结构和性质紧密相关。另一方面，半导体硅材料具有吸光范围宽、环境友好、自然丰度高，廉价易得等优势，被看作是最为理想的光电转换材料，但在光电化学中，半导体硅的化学稳定性低、特别是硅基光电极界面能级上的电荷分离和传输机理到目前为止还不明确。

近日，中国科学院大连化学物理研究所李灿院士（点击查看介绍）团队在硅基半导体材料用于光电化学分解水的光阳极研究中取得新进展。研究人员发现，存在于n-Si/ITO肖特基结界面上的施主态缺陷级是制约光电极效率的因素之一，缺陷能级的存在阻碍了光生空穴抵达电极表面参与氧化反应，并确认了该施主态缺陷的能级位置。在n-Si和ITO之间引入薄层TiO_x，并对其离散能级进行精细调控，有效地减少了界面施主态能级，并实现n-Si/TiO_x/ITO肖特基势垒高度近理论值，从而极大地提高了光生电荷的分离和传递效率。其次，研究还证实了表面负载型NiOOH的双重角色，一方面作为传统认知的水氧化催化剂促进光生电荷的注入效率；另一方面修饰了该肖特基电极的表面功函，增加了势垒高度和内建电场强度，使可获得的表面光电压额外增加到215%倍。将n-Si/TiO_x/ITO/NiOOH光电极水氧化反应的起始电位从文献报道的约1.1~1.2 V降低至0.9 V，为目前文献报道的最低值。同时在一个较宽的电极电位下实现了光生电荷注入效率大于90%以及电荷分离效率接近100%。该研究结果，不仅仅适用于硅基光阳极，还可有望拓展应用至其他半导体基光电器件的制备中。同时，该工作也是继该团队非晶硅的相关研究后（ChemSusChem, 2015, DOI: 10.1002/cssc.201501004）在单晶硅半导体用于光电化学分解水方面取得有一个进展。

相关研究结果以全文的形式发表在《美国化学会会志》上（Tingting Yao, Can Li, et al, J. Am. Chem. Soc., 2016, DOI: 10.1021/jacs.6b07188），第一作者姚婷婷是李灿院士团队博士后。该工作得到了科技部973项目、国家自然科学基金和教育部能源材料化学协同创新中心（iChEM）的资助。

该论文作者为：Tingting Yao, Ruotian Chen, Junjie Li, Jingfeng Han, Wei Qin, Hong Wang, Jingying Shi, Fengtao Fan, Can Li

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.6b07188

Manipulating the Interfacial Energetics of n-type Silicon Photoanode for Efficient Water Oxidation

J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 13664-13672, DOI: 10.1021/jacs.6b07188

导师介绍

李灿院士：http://www.x-mol.com/university/faculty/22686

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