新型金属铜等离子体和其窄带氧化物修饰的二氧化钛宽光谱光电极材料制备及器件应用

Today’s wide spectral material and device technologies relay on unsustainable, toxic or depleting resources (such as Pb、Cd、In、Se and Te) or precious noble metals (such as Pt and Au) to enable photoelectrochemcial (PEC) solar energy conversion in the primary solar spectrum range – visible (45%) and infrared (50%). Aims to tackle the challenges through the development of a new low-cost wide spectral PEC system, an innovative synthesis strategy – leveraging 2D layer-structured hydroxides as reaction mediator, is proposed in this research. A fine dispersion of plasmonic copper nanoparticle and p-type narrow band-gap oxides will be generated through this approach and would serve as efficient wide spectral light absorber to associate with the Schottky effect at the material interface to facilitate rapid charge separation and transfer. This will lead to highly efficient and effective wide spectral PEC system for solar energy conversion.

针对目前半导体光电极太阳能宽光谱吸收转化技术面临的大规模产业化发展掣肘性问题——低耐用性、依赖毒性、资源匮乏性元素（如Pb、Cd、In、Se、Te）或贵金属(如Pt、Au等），基于申请人前期工作，本项目提出采用二维层状结构水合物中间体获得具有高分散度铜基非贵金属等离子体和p型窄禁带铜氧化物材料修饰的“明星”宽禁带光电极半导体材料（TiO2），旨在为构筑新一代光电极光谱宽化技术提供可持续性、环境友好材料和制备方法。期望通过金属铜等离子体SPR效应和窄带铜氧化物扩展TiO2光电极对见光及近红外辐射的充分吸收，并利用材料界面Schottky势垒促进光生电子和空穴的快速分离和传输，实现对光电极材料和器件对宽光谱太阳能的光电化学（PEC, photoelectrochemcial）高效转化。

资源富集元素、具有高耐用性半导体高效光吸收转化材料和器件的开发对未来新能源产业发展有着至关重要的作用。本项目完成了对铜基非贵金属团簇和p型窄禁带氧化物团簇电极修饰材料粒径分布和分散度的有效控制，实现光生电子和空穴的快速分离和传输，并通过对尺度形貌控制实现了TiO2光电极材料和器件的光电化学转化效率的大幅提高。主要包括：（1）利用具有分级化的二维层状水合物中间体，实现对金属铜团簇修饰二氧化钛复合材料中铜团簇的窄粒径分布、高分散度、负载量的控制，并改善了稳定度。实现金属铜修饰二氧化钛复合材料光催化产氢(HER)效率以及HER性能稳定性的大幅提升，在长达110小时的测试中性能保持良好，为目前所报道同类材料中最优行列。（2）探索实现窄粒径高分散度的p型窄禁带铜氧化物团簇修饰二氧化钛复合材料，构筑异质结结构推动高效电荷分离，并利用团簇表面生成的Cu金属薄层构筑电子阱，极大限度促进电子高效运输，降低电子空穴复合几率，实现了HER性能的进一步提升。（3）构筑分级化介孔光电极材料，用于具有低毒性、低腐蚀性、高透光性、高电位的钴电解液光电转化器件。利用大比表面积实现高染料吸附，利用微米和介孔通道实现了具有较大分子结构钴电解液的快速扩散，成功消除传统光电极材料中出现的光电流的衰减，从而实现光电转化效率和器件稳定性的极大提升。（4）构筑分级化具有粗糙表面的光散射材料，实现柔性光电器件光电转化性能以及器件稳定性的大幅提高。项目执行期间，发表SCI论文5篇，目前已投稿3篇正在审稿阶段，另有两部分工作已进入论文撰写阶段；组织国际和国内学术交流研讨会各一次；建立国际合作两项，已外派访问合作学生1名；目前在读研究生2名，其中1名将于明年6月进行答辩；参与国家自然基金和省级项目获资助共3项；获欧盟玛丽居里基金会Seal of Excellence Award；参与成功申报国家级合作研究平台“低碳及环境智能设计国际联合研究中心”。