高度晶体取向介孔半导体电极材料的制备及光电性能研究

Semiconductor photoelectrode is a key factor that determines the properties of photoelectrochemical devices. High performance semiconductor photoelectrodes require both large surface area and rapid charge transport dynamics. Mesoporous photoelectrodes that comprised of randomly packed nanocrystals are commonly used. Although such electrodes have large surface areas, they generally have low charge transport dynamics and collection efficiencies due to random crystal orientation. Aligned one-dimensional structures can improve the crystal orientation, and thus charge transport properties, but their surface areas are generally much lower than that of mesoporous films. In this project, employing strategies of nanocrystal-orientated-attachment and in-situ mesostructure construction, we proposed the design and construction of highly crystal oriented mesoporous photoelectrodes that offer both large surface area and rapid charge transport dynamics. We will use Intensity modulated photocurrent and photovoltage spectroscopies to study the structure-activity relationship between the microstructure and charge transport/recombination dynamics. On the basis of these results, by the control and optimization of electrode microstructure, we will obtain high performance semiconductor electrodes, and explore their application in photoelectrochemical devices. This study will provide a theoretical and experimental basis for the design and construction of high performance photoelectrodes, and play an important role in promoting the development of high-efficiency photoelectrochemical devices.

半导体光电极材料是决定光电化学器件性能的关键因素。高效电极需要具备大的比表面积以及良好的电荷动力学性能。常用的电极是由纳米晶无序堆积而成的多孔薄膜，具有大比表面积。但无序的晶体取向限制了其电荷传输，电荷收集效率及器件性能。阵列一维结构能够提高晶体取向以及电荷动力学性能，但其比表面积却比多孔薄膜低很多。本项目结合这两种电极结构的优势，提出设计和制备高度晶体取向的介孔无机半导体电极材料。该电极具有大比表面积和快速电荷传输性能。将利用纳米晶的定向连接以及在类单晶薄膜中原位构筑介孔结构两种策略来制备电极，总结合成反应参数对微观结构的影响规律。利用强度调制光电流/电压谱等分析技术，研究并揭示微观结构与电荷动力学（传输和复合）以及比表面积之间的构-效关系。优化反应参数，得到高效电极，研究其在光电器件中的应用。该项目将为高效电极的设计和构筑提供理论和实验依据，为开发高性能光电器件起到推动作用。

基于半导体材料的光电化学电池是一种具有重要发展潜力的能量转换器件，光电极是这些器件的核心组成部分，它具有传输自由电荷以及为电化学反应和电荷转移提供界面等重要功能。因而，开发和使用新型高效的光电极，研究和探究电极的微观结构，电荷传动力学行为以及它们之间的构效关系对器件性能的影响非常重要。在本项目实施过程中，我们通过两种不同的合成路径，可控制备了包括二氧化钛，氧化锌在内的一系列具有高度取向的类单晶介孔光电极；采用瞬态光电流谱、光强调制光电流谱等分析技术，测试光电极的电荷传输性能，并研究了其结构，比表面积，电荷传输等性能之间的构效关系；最终通过总结生长机理，优化生长条件，得到了一系列同时具有大的比表面积和快速电荷传输性能的光电极结构，并探索了这些电极结构在染料敏化太阳电池，光电气敏传感器，光催化分解有机物等光电器件中的应用。. 本项目为未来设计高效光电极材料结构提供了研究基础。基于这些研究，团队应Adv. Mater. 杂志的邀请，撰写了关于电极结构设计和电荷传输动力学行为的综述。项目截止目前共发表SCI论文21篇，其中包括Adv. Mater.，J. Am. Chem. Soc.， Chem. Sci.等具有国际影响力的高水平杂志；项目实施期间，共有13名研究生毕业，包括1名博士研究生和12名硕士研究生。