鉴于此,厦门大学的程俊教授、曹阳教授等人报道了一种由单层InSe晶体制成的光电阳极,其中InSe被单层石墨烯包裹以提高其稳定性。在众多光响应二维材料中,由于InSe具有高迁移率和强抑制电子-空穴对复合的特性,利用该原子级厚度光电电极,可在1.23 V下得到>10 mA cm-2的光电流密度,比其他二维材料的光电流密度大几个数量级。除了InSe的本征特性外,作者还将其增强的光电流归因于阳极表面附近的氢氧根离子与光生空穴之间的强耦合。研究结果表明,由于离子捕获空穴,抑制电子-空穴复合,即使在光照停止后仍可观察到持续电流。相关工作以《Atomically thin photoanode of InSe/graphene heterostructure》为题在《Nature Communications》上发表。
【图文介绍】
图1 InSe/Gr光电阳极的PEC测试:(a)实验装置示意图;(b)InSe/Gr异质结的能带结构;(c)InSe/Gr异质结表面吸附氢氧根离子的DFT模拟;(d)不同光照时间的极化曲线;(e)启动或关闭光源的i-t曲线本文提出了一种由单层石墨烯封装的InSe单晶制成的新型PEC阳极,如图1a所示。由于二维InSe/石墨烯(InSe/Gr)光电极呈现出原子级厚度的独特性质,有利于研究表面效应对PEC性能的影响。石墨烯封装提供了一种来增强单层InSe阳极稳定性的可靠方法,延长了PEC电池的工作寿命。另外,具有良好的透光性能和高导电性的石墨烯进一步促进了光吸收与载流子迁移。作者通过DFT模拟分析氢氧根离子OH–吸附与阳极表面附近的光生空穴迁移。如图1b所示,InSe/Gr异质结的化学势为~-4.6 eV,远远高于OER在pH=13时的化学势(- 4.9 eV)。InSe和石墨烯之间的能带排列产生一个内建电场,引入内建电场可促进光生电子-空穴分离,进而在电极表面产生空穴。此外,InSe/Gr异质结构使OH–在阳极表面附近积聚,计算得到的吸附能为~-0.74 eV。结果表明,InSe/Gr阳极表面附近富集OH–和光生空穴,可能促进了它们之间的相互作用。作者在0.2 M NaOH溶液中测量了InSe/Gr阳极的伏安特性。如图1d、e所示,在模拟阳光照射下,LSV曲线表明OER起始电位约为~420 mV,测量的光电流密度J随着光照时间t的增加而增加,且在1.23 V下得到>10 mA cm-2的饱和光电流密度Jmax,该值是目前已报道的最先进光电阳极光电流密度的两倍以上。此外,即使在停止光照后,阳极反应仍在继续, J从Jmax衰减到暗电流,衰减时间tD为~4000 s。对比相同条件下单层MoS2/石墨烯阳极的光电流响应行为,进一步验证了InSe/Gr阳极的高PEC效率。