提高光生载流子的利用效率：利用TiO2夹层修饰分枝结构Fe2O3

光催化分解水制氢技术是直接将太阳光能转化为氢能的重要途径，是一种极具发展潜力的新能源技术。在一个完整的光电化学池中，水氧化反应被公认为是其中的限速步骤。其中，Fe₂O₃因为具有合适的禁带宽度（~2.1eV），可以吸收太阳光谱中大部分的可见光，并且其来源广泛，价格低廉，具有良好的化学稳定性，它作为光电阳极被广泛研究。但是，由于Fe₂O₃的导电性能差，光生空穴传输距离短（2-4 nm）等缺点，导致其光生载流子的利用率极低，严重地限制了它的发展和应用。因此，提高Fe₂O₃的光生载流子利用效率是发展Fe₂O₃光电阳极的研究重点。

在众多的研究报道中，利用元素掺杂可以有效降低Fe₂O₃的体相复合，而通过在基底和Fe₂O₃之间引入夹层可以减少界面复合。天津大学化工学院的巩金龙教授及其团队，利用原子层沉积技术（Atomic LayerDeposition, ALD）巧妙地在导电玻璃基底和Fe₂O₃纳米棒阵列之间引入一层TiO₂薄层，继而利用高温焙烧的方法诱导TiO₂夹层的Ti元素对Fe₂O₃进行掺杂，提高其导电性。最后，通过在Fe₂O₃纳米棒上继续引入分枝结构，进一步提高Fe₂O₃和电解液之间的接触面积，获得了高效率的Fe₂O₃光电阳极用于水氧化反应。

研究发现，TiO₂夹层在该Fe₂O₃光电阳极中发挥着重要的作用。一方面，TiO₂夹层可以有效抑制光生载流子在基底和Fe₂O₃之间的界面复合。另一方面，TiO₂夹层还可以作为掺杂源，提供Ti元素对Fe₂O₃进行掺杂，有效提升Fe₂O₃的导电性。所制备的Fe₂O₃光电阳极在1.23 V（vs. RHE）偏压下，进行水氧化反应的光电流可达2.5mA cm^-2，以FeOOH作为助催化剂可以使其光电流进一步提升至3.1mA cm^-2。

本工作通过引入一层TiO₂夹层的简单方法，不仅抑制了Fe₂O₃光电阳极光生载流子在基底和Fe₂O₃之间的界面复合，而且增强了其体相的导电性，有效地提高了Fe₂O₃的光生载流子利用效率。相关论文作为“Very Important Paper”发表在Angew. Chem. Int. Ed.（DOI:10.1002/anie.201705772）上，并被遴选为外封面论文。

本论文第一作者为天津大学化工学院博士生罗志斌。

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http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201705772/full

封面链接为：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201708426/full

作者为Zhibin Luo, Dr. Tuo Wang, Jijie Zhang, Chengcheng Li, Huimin Li and Prof. Dr. Jinlong Gong*