当前位置 : X-MOL首页行业资讯 › Nano Res.│国家纳米科学中心王晓莉:等离激元热电子增强ZnO@TiO₂/Au 纳米棒阵列光电化学水分解

Nano Res.│国家纳米科学中心王晓莉:等离激元热电子增强ZnO@TiO₂/Au 纳米棒阵列光电化学水分解

本篇文章版权为李洪东所有,未经授权禁止转载。

背景介绍


光电化学 (PEC) 水分解已成为一种有利、环保和可再生的能源技术,然而,构建具有增强光吸收和优异的光电催化性能的纳米结构仍然是一个很大的挑战。TiO2、ZnO等金属氧化物半导体因其易于合成、成本低廉、无毒等优点而在光电子领域得到了广泛的探索。但是,ZnO 和 TiO2 基材料仍然存在较大的带隙,由于缺乏对可见光的吸收能力,总能量转换效率仍然很低。与单一金属氧化物半导体相比,一维(1D)核壳纳米结构由于表面积显著增加、更好的电荷传输和分离性能以及电子-空穴对的低复合而表现出增强的 PEC 性能。并且,引入贵金属如Au和Ag可以增加半导体的光吸收和稳定性。此外,利用表面等离激元共振(SPR)可以调整光吸收带以提高PEC性能和太阳能转换效率。因此,合理设计等离激元金属/半导体复合光电极对于提高太阳光的有效吸收和PEC性能具有重要意义。。


成果简介


国家纳米科学中心王晓莉等人通过简便的方法制备了一系列以Au纳米粒子修饰的ZnO@TiO2核壳纳米棒阵列作为PEC水分解的光电极。其中,所获得的 ZnO@TiO2(15 nm)/Au(8 nm) 阵列在 1.2 V vs. RHE 下的最大光电流密度为3.14 mA/cm2,分别是 ZnO NRs 和 ZnO@ TiO2(15 nm)阵列的 2.6 倍和 1.7 倍。电场模拟和瞬态吸收光谱表明,Au修饰的核壳纳米结构可以大大增强热电子产生效率以及具有更有效的电荷转移和抑制载流子复合能力。这项工作为光电极的制备提供了一种有效的策略,也为该技术的大规模发展提供了巨大的潜力。  


图文导读


image.png

图 1  ZnO@TiO2/Au 材料的合成示意图及物理表征图

首先,通过水热法制备了 ZnO NRs 阵列。其次,通过溶胶-凝胶法将TiO2包覆在 ZnO NRs 上,形成 ZnO@TiO2核/壳纳米棒结构。最后,Au NPs 通过磁控溅射 (ZnO@TiO2/Au) 沉积在核/壳 NRs 阵列上。Au NPs 具有高质量的晶格,这有助于 SPR 激发的热电子从 Au 转移到 TiO2。元素映射图像清楚地显示,Zn元素集中在纳米棒核区域,而Ti元素分布在核周围形成壳结构,表明核壳结构均匀,Au元素随机分布在纳米棒表面。 


image.png

图 2  不同材料的UV-Vis和PL光谱

在可见光区域,当沉积 Au NPs 时,光吸收进一步提高。随着溅射时间的增加,Au NPs 的表面等离激元共振吸收显著增加,峰值波长不断红移。随着TiO2壳层厚度的增加, ZnO@TiO2 核壳纳米棒的荧光发射峰强度不断降低。这种现象主要归因于ZnO@TiO2异质结的电荷分离效应,TiO2壳层降低了 ZnO 表面电子-空穴对的复合率。涂覆 Au NPs 后,发射峰的强度进一步减弱,这是由于一方面金的加入可能导致氧化锌氧空位的减少,另一方面氧化锌缺陷的电子会转移到金的费米能带中从而减少了电子空穴的复合发射峰。需要注意的是,在可见光照射下,金的等离激元诱导的热电子也可以转移到氧化锌。


image.png

图 3 不同材料的光电化学性能

与光照下的 ZnO NRs 阵列相比,ZnO@TiO2 核壳异质结构在 0 到 1.4 V 的范围内表现出增强的光电流密度。其中,ZnO@TiO2(15 nm)异质结的光电流密度为1.83 mA/cm2 (1.2 V vs. RHE)。在沉积金纳米粒子后,光电流密度进一步增加。ZnO@TiO2(15 nm)/Au(8 nm) (3.14 mA/cm2) 中的光电流密度约为 ZnO@TiO2(15 nm)和 ZnO NRs 的 1.71 和 2.60 倍。另外, Au 修饰的 ZnO@TiO2 NRs 阵列具有最低的电阻,因此可以实现更快的电子转移。 


image.png

图 4 不同材料的电场模拟及电荷传输示意图

image.png

图 5 在420 nm泵浦下,ZnO/Au和ZnO@TiO2/Au的超快瞬态吸收动力学

电场分布和瞬态吸收结果表明,ZnO@TiO2(15 nm)/Au(8 nm) 样品具有最大电场强度和最长的电子弛豫寿命。瞬态吸收 (TA) 信号由于电子-电子和电子-声子散射的电子弛豫而迅速衰减,然后由于声子-声子和声子与周围介质的相互作用而缓慢衰减。ZnO/Au 样品的弛豫时间为 0.4 ps(电子-声子)和 3.2 ps(声子-声子)。当用TiO2包覆时,ZnO@TiO2/Au的TA强度和弛豫时间都相应增加。等离激元吸收增强和核壳结构有效的电子分离,大大增强了电子的产生和转移,有利于PEC性能的提升。


作者简介


王晓莉,国家纳米科学中心唐智勇课题组项目研究员,2013年获得法国皮埃尔玛丽居里大学博士学位,而后在瑞典查尔姆斯理工大学做博士后研究,合作导师分别为Bruno Palpant 教授 和Mikael Kall 教授。研究方向为等离激元纳米材料的光学调控机理和应用研究。目前课题组招聘相关领域的学生和博后,请感兴趣的联系wangxl@nanoctr.cn。


文章信息


Hongdong Li, Hongyan Liu, Fei Wang, Guodong Li, Xiaoli Wang* & Zhiyong Tang. Hot electron assisted photoelectrochemical water splitting from Au-decorated ZnO@TiO2 nanorods array. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-022-4203-z.

image.png

识别二维码或点击左下角“阅读原文”可访问全文



QQ截图20220430103511.png

如果篇首注明了授权来源,任何转载需获得来源方的许可!如果篇首未特别注明出处,本文版权属于 X-MOLx-mol.com ), 未经许可,谢绝转载!

ELSEVIER理工paper精准润色
Medical Education Online
Nature论文写作课程
Frontiers 期刊最新因子现已公布
Health Systems and Reform
ELSEVIER第一届国际分离钝化技术大会
默克礼享季
最新CiteScore引用分出炉
屿渡论文,编辑服务
浙大
南开大学
清华大学
新加坡
纽约大学
东北大学
北京理工
南科大
上海中医药-连续6个月
南开
隐藏1h前已浏览文章
课题组网站
新版X-MOL期刊搜索和高级搜索功能介绍
ACS材料视界
天合科研
x-mol收录
试剂库存
down
wechat
bug