界面状态对复合光电极水分解性能的影响

Identifying the impact from the interface of composite photoelectrodes on its photoelectrocatalysis performance was critical to the development of high-efficient photoelectrodes. The migration and distribution of photo-generated carriers varied with the build-in electrical field and the energy band structure of the junction. An adaptive interface will accelerate the solar energy conversion in photoelectrocatalysis water splitting. . Here, we planed to introduce Si and Fe2O3 with different conductive type respectively. Aiming to develop a series composite photoelectrodes with different junction type through the adjustment of semiconductors band structure and conductive type. Optimizing the interface of the junction through doping or transition-layer to improve the separation yield of photo-carriers, and eventually to promote the efficiency of water splitting. Furthermore, the impact from the interface of composite photoelectrodes on water splitting will be deduced and clarfied clearly. The interface between the electrodes and the electrolyte will be also investigated and optimized to improve the reaction kinetics of water splitting.. Our understanding of the interface/junction will result in the development of the design and construction of high-efficient composite photoelectrodes.

深入研究界面状态对复合光电极的物理性质及其太阳能光电催化性能所产生的影响，有助于理性设计多样化和复杂化的高性能光电化学器件。. 本项目引入导电类型可调的半导体材料p/n-Si和p/n-Fe2O3构造复合光电极，旨在拓宽光谱利用率，提高太阳能转化效率：. 1. 通过改变组合材料的能带结构和导电类型，设计开发一系列具有不同结类型的复合光电极，明确结在光生载流子分离和迁移中的作用；. 2. 优化各组成单元间固-固界面，用结电场的驱动力高效分离光生载流子，提升光生电势；. 3. 修饰电极-电解液界面，提高反应液中光生电荷注入效率，加速电极表面反应动力学，促进太阳能的高效转化。. 分析不同界面状态在太阳能光电催化水分解中所表现出的性质，阐述能级结构、界面状态和光生电荷分布之间的关联规律，为理性设计复杂光电极奠定基础。

深入研究表、界面状态对复合光电极的物理性质及光电催化性能所产生的影响，有助于理性设计多样化和复杂化的高性能光电化学器件。.本项目研究发现，存在于n-Si/ITO肖特基结界面上的类施主态缺陷能级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TiOx，并对其带间离散电子能级进行精细调控，有效地减少了界面施主态能级，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。最终获得具有优异水氧化性能的n-Si/TiOx/ITO/NiOOH光阳极。.本项目用阴极还原法处理TiOx光阳极，使其光电催化水氧化性能大幅提升。研究证实，光电流密度的增加来源于TiOx电极表面性质的变化，而非吸光性能的提升。TiOx电极表面性质的变化，使表面吸附羟基氧原子上电子云密度降低，直接改变了电极/电解液界面电势降分布，从而影响了半导体耗尽层中电荷分离能力和电极表面水氧化过电位。.本项目还通过柠檬酸来调节反应物相对活性，成功合成了Ni掺杂Fe2O3电极。并改变退火温度来控制杂离子Ni在Fe2O3体相晶格中的扩散和成键性质，使Ni:Fe2O3电极在光电催化中表现出p型半导体性质，能够被用于光促水还原以及氧还原反应中。研究还证实该p型Ni:Fe2O3材料与n型TiO2构成pn结复合光阳极时，能使水氧化起始电位降低约200mV。