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催化剂核壳结构能大幅度有效提高光电化学分解水的效率

光电化学分解水原理简单、过程环保且具有潜在的高转换效率,是光解水制氢领域的重要研究课题。该技术的关键是制备低成本、稳定、高转换率的光电极。ZnO具有制备简单、成本低廉、光响应好、载流子迁移率高等特点,是一种优良的光电材料。特别是ZnO纳米线阵列由于其比表面积大、光生载流子收集能力强、减反射性能好等优点,被广泛应用于光电化学体系。但作为一种宽带隙半导体(~3.4eV),ZnO的光响应集中在紫外波段区域,限制了太阳光利用率。CdS是一种窄带隙半导体,在可见光波段具有很好的响应能力,CdS与ZnO可形成异质结结构,该结构有利于光电极中光生电子-空穴对的分离,从而提高了光生载流子的利用率。但光生载流子复合时间短暂,相当部分的光生载流子在传输过程中仍通过复合而损失。

西南大学洁净能源与先进材料研究院李长明教授及其研究团队在有效减少CdS/ZnO光电极中光生载流子的复合以提高光解水效率方面的研究取得了重要进展。他们利用材料原位合成方法,在ZnO纳米线阵列表面制备出分布均匀的Au@CdS核壳结构纳米粒子,巧妙地构建了具有核壳结构的Au@CdS-ZnO光电极,并实验证明该核壳结构有效提高了光电化学分解水效率。基于两电极体系的光解水装置,在400 nm单色光照射且无外加电压下,该Au@CdS-ZnO核壳结构光电极的入射光子-电流转换效率达到14.8%,比无核壳结构CdS-ZnO光电极的转换效率提高了55.8%。在光解水产氢测试上,该核壳结构光电极保持了良好的稳定性,工作十小时后未见明显衰退。通过深入分析光电极材料和能带结构,发现Au@CdS核壳结构可协助光生载流子在CdS和ZnO之间的传输,从而减少了光生载流子的复合,有效提高了光生载流子的利用率。该核壳结构为进一步构筑高效的太阳能转化体系提供了新的思路,在其它光电体系如光催化体系也具有潜在的应用。

相关研究成果在线发表在近期的Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.201500135)。

该研究工作得到了国家“千人计划”,重庆市清洁电源材料及技术重点实验室,重庆市科委和发改委相关项目的资助。

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