微纳结构钽基异质复合阵列的构筑、界面调控及光电化学性能研究

Tantalum based (oxy)nitrides array photoanodes with novel micro/nano-morphology and various crystal structure, have been fabricated by solution-phase chemical synthesis and nitridation process, designing the process and controlling the reaction composition, temperature and time etc. Based on the research of micro/nano-morphology and band-energy structure, the tantalum based (oxy)nitrides heterostructured array photoanodes with novel micro/nano-structure, have been prepared via the combined way of the electro-deposition (ED), atomic layer deposition (ALD) and radio frequency magnetron sputtering (RFMS), considering the heterostructure type, charge transmission, particle size, surface structure and contact type of different semiconductors etc. To further improve the photoelectrochemical property, the core-shell co-catalysts quantum dots modified tandem tantalum based (oxy)nitride heterostructured array photoanodes would be constructured by the ED/ALD/RFMS combined methods. Based on above-mentioned results, the charge transfer effect, the involved hydrogen and oxygen reaction, safe service property, in-situ and timely measurement on the surface and interface, the rule and mechanism of damage and failure of novel tandem tantalum-based (oxy)nitrides heterostructured array photoanodes,have been systematically investigated, achieving the efficient and stable solar-driven water splitting,photoeletro- reduction CO2 and photoelectrochemical synergistic catalysis as practical application.

本项目利用液相化学合成和氨化工艺，通过设计工艺、控制反应物组成、温度、时间等条件，制备具有新颖微纳米形貌和不同晶体结构的钽基氮(氧)化物阵列光电极。在微纳结构和能带调控基础上，考虑异质构型、电荷传输方式、颗粒尺寸、表面结构、不同半导体接触方式等因素，通过电沉积(ED)/原子层沉积(ALD)/磁控溅射技术(RFMS)组合方式，构筑微纳结构钽基异质复合阵列光电极。为优化其光电化学特性，通过ED/ALD/RFMS组合技术构筑量子点核壳式助催化剂修饰的层叠式钽基氮(氧)化物异质复合阵列光电极。基于此，研究新型层叠式钽基异质阵列组装的光电化学太阳能电池的电荷迁移效应、析氧析氢反应、安全服役特性、表界面原位实时表征以及其损伤与失效的规律和机理，实现其高效稳定的太阳能分解水、光电还原CO2及光电化学协同催化应用。

清洁能源成为全球关注的焦点，太阳能在未来的能源结构中扮演重要的角色。太阳能转化过程中涉及光催化材料的光吸收、光生电荷传输与分离以及表面的催化反应问题，本项目利用液相化学合成工艺，明晰了微纳米结构钽基氮(氧)化物阵列光电极的维度、尺寸、形貌、晶体结构、光吸收以及光电特性之间的构效关系，制备具有新颖微纳米形貌和不同晶体结构的钽基氮(氧)化物阵列光电极，确定制备微纳米结构氮(氧)化钽阵列光电极的最佳反应条件。. 在单一半导体体系，其光生电荷易于复合，从而使其性能受限。为此，阵列的异质复合是突破单一材料性能上瓶颈的有效途径。本项目在微纳米结构钽基氮(氧)化物阵列光电极基础上，通过Co3O4/Co(OH)2双层助催化剂辅助Ta3N5纳米棒阵列，在光生电荷分离的效应和双助催化剂的协同促进作用下，为理性设计合成高效光催化剂提供了策略，其Co3O4/Co(OH)2/Ta3N5阵列光电极展示了稳定的光电流和较高的光电转换效率。为了构筑高效TaON纳米棒阵列，实施超薄碳层对Cu2O/TaON阵列的包裹和封装。其纳米碳层的封装阻断了其与苛刻反应环境的直接接触，有效延缓了半导体催化材料的失活，同时，集成光电极的光生电荷通过与碳层的相互作用“穿透”到外表面，实现高效光电化学分解水应用。这一工作形象的描述为“铠甲”光电极，其概念可以拓展到电催化、光催化、传统多相催化等体系。为了优化三维C3N4/Ba-TaON异质结阵列的光电性能，选择CoOx纳米颗粒作为助催化剂，均匀分散在C3N4/Ba-TaON异质结表面，形成三维CoOx/C3N4/Ba-TaON复合异质阵列，大幅度提高了其光电性能和稳定性。这系列工作证实了集成光电化学系统是实现太阳能分解水的有效之路，更为太阳能转化体系提供了新的思路和策略。 . 在微纳米结构组装基础上，通过异质结和助催化剂的集成策略，使其光生电荷有效的定向迁移，研究了光阳极和光阴极的析氧与析氢反应以及稳定性，探索了阵列电极体系的形貌、结构、光电化学反应和稳定性之间的构效关系，实施了其高效稳定的太阳能转化应用。