基于TiO2超薄纳米带分支的异质结阵列光阳极及其电荷转移机理研究

Photoelectrochemical water splitting is a highly desirable approach to solve the energy challenge. To achieve a high solar conversion efficiency, it is desirable yet challenging to effectively tailor the composition and morphology of photoanodes. Herein, we develop a novel route to directly deposit titania ultrathin nanobelts on various one-dimensional arrays (such as WO3, SnO2 or rutile TiO2) to construct heterojunction photoanodes. Branched array electrodes, which have a well-controlled interface with a high area, can provide an ideal platform for a quantitative investigation of the charge transfer mechanism of heterojunctions, especially the anatase/rutile heterojunction. The charge transfer mechanism of heterojunction interface is well investigated, which would allow one to control the charge transfer process and effectively design a heterojunction. The integration of heterojunction, branched nanostructure and nanostructured current collector is advantageous to obtain a high light absorption efficiency, charge separation efficiency and charge transfer efficiency, thus improving the solar conversion efficiency. The present study is helpful to understand the charge transfer mechanism of heterojunctions and enrich the traditional semiconductor theory. Moreover, it would provide an effective way to obtain photoanodes with high performance.

光电化学分解水是解决能源短缺的理想途径之一，提高其能量转换效率具有重要的意义。对光阳极材料的成分和微结构的合理调控是获得高的能量转换效率的关键。本项目拟设计一种适用于不同成分的一维纳米阵列（如WO3、SnO2、金红石TiO2等）上生长TiO2超薄纳米带分支的新方法来构建分支异质结光阳极。利用分支异质结具有可控的界面和高的界面面积的优势，将其作为理想的研究模型，深入探索异质结界面（尤其是锐钛矿/金红石界面）电荷转移机理，实现对电荷转移过程的调控，为异质结设计提供理论依据。在此基础上，采用分支核壳结构、异质结、纳米集流器有效集成的新型纳米结构设计来同时提高光阳极的太阳光吸收效率、电荷分离效率和电荷转移效率，最终获得高的能量转换效率。本项目研究将有助于加深对异质结电荷转移机理的认识，为构筑高性能光阳极材料提供新的思路、理论与技术。

光电化学分解水可利用太阳能生产清洁的燃料H2。通过合理的成分和纳米结构设计及电荷转移过程调控来提高光阳极的性能，具有重要的意义。本项目主要以稳定性好、成本低、无毒的TiO2为研究对象，开发了一种可在多种一维纳米阵列上沉积TiO2超薄纳米带分支的新技术，并阐述了相应的材料生长机理。利用该技术制备了金红石/锐钛矿核/壳分支纳米棒阵列等异质结材料，并研究其光催化性能与材料成分、结构间的关系，提高了TiO2光阳极材料的光电化学分解水性能（金红石/锐钛矿分支纳米棒的光电流高于金红石纳米棒阵列和锐钛矿纳米带阵列的光电流）。此外，构筑了多种TiO2基复合光催化材料，并将纳米集流体（例如TiN纳米线阵列）和TiO2进行集成。借鉴上述设计思路，对研究内容进行了适当的拓展，开发了高性能锂离子电池负极材料、超级电容器电极材料、电解水催化剂。例如，TiN/TiO2核/壳分支纳米线具有“准单晶/介晶”的特殊结构，其性能优于其他同类材料；发现该材料的储锂机理与常规的锐钛矿TiO2的“两相共存”机理不同，为赝电容机制。基于上述研究成果，在Chem（Cell的姐妹刊）、Journal of Materials Chemistry A、Applied Materials Today、Nanotechnology等期刊共发表论文22篇，获发明专利授权2项。这些研究结果为构筑高性能光阳极材料及电化学能量存储电极提供了新的设计思路和技术途径。