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Advanced Energy Materials:MOFs有望被应用于构筑高效的光电极表面透明钝化层

【引言】

在太阳能电池与光电化学池等光电系统中,纳米光电极由于较大的比表面积,较好的太阳光的捕集效率,以及较高的电荷传输效率等结构优势被广泛应用。由于表界面对光电物理化学过程的巨大影响,表界面工程是设计构筑高效纳米光电极的重要技术手段之一。特别地,在光电化学系统中,表面钝化层的构筑对减少表面电荷复合,增强界面电荷传输效率和光电转化效率,减少光电极光腐蚀和化学腐蚀,延长光电系统服役周期具有重要的贡献。目前表面钝化层材料主要是高介电常数金属氧化物,如TiO2、Al2O3等,构筑表面钝化层的方法主要有原子层沉积(ALD)、电化学沉积等,挖掘新型高效表面钝化层材料,发展新的表面钝化层构筑方法,具有重要的研究意义。

【成果简介】

近日,中山大学刘升卫教授团队与哈尔滨工业大学宋波教授团队合作研究发现,多孔金属有机框架(MOFs)薄膜材料有望被应用于构筑高效的光电极表面透明钝化层。如图1所示,以沸石咪唑酯骨架结构材料ZIF-8为例,研究者通过原位界面反应方法,成功在泡沫镍(NF)支撑氧化锌(ZnO)纳米棒阵列表面原位生长ZIF-8表面层,并通过浸渍吸附-原位反应法引入Ni(OH)2纳米片作为助催化剂,构筑了高效Ni(OH)2/ZIF-8/ZnO/NF复合光电极。

基于上述Ni(OH)2/ZIF-8/ ZnO/ NF复合光电极的光电化学分解水产氧性能的对比分析,研究者发现,与ZnO/NF光电极相比,表面钝化的ZIF-8/ZnO/NF光电极的光电流密度提高57.6%,充分证实了ZIF-8作为钝化层的重要贡献。同时ZIF-8钝化层与Ni(OH)2纳米片助催化剂对光电极光电化学性能具有良好的协同促进效果。与ZnO/NF光电极相比,Ni(OH)2纳米片助催化剂修饰的Ni(OH)2/ZnO/NF光电极的光电流密度提高40.2%,而Ni(OH)2/ZIF-8/ZnO/NF复合光电极的光电流密度提高了将近2倍。并且,相比较而言,Ni(OH)2/ZIF-8/ZnO/NF复合光电极的服役稳定性明显改善。

ZIF-8作为一个典型的多孔MOFs材料有诸多优点,如在紫外可见光区域透明不损失光电极采光性能,多孔网络有利于光电反应过程的吸附传质性质等。研究者基于深入系统的对比分析认为(图2),ZIF-8钝化层的引入,有效减少表面缺陷态密度,降低表面电荷复合几率,降低界面传荷电阻,促进界面电荷转移效率,对提高光电化学转化效率有重要贡献。

【图文导读】

图1 表面钝化ZnO纳米阵列光电极的主要制备过程与光电化学水分解机理

Advanced Energy Materials:MOFs有望被应用于构筑高效的光电极表面透明钝化层

图2 ZIF-8表面钝化层作用机理研究

Advanced Energy Materials:MOFs有望被应用于构筑高效的光电极表面透明钝化层

【小结】

以ZIF-8为例,研究者指出,在半导体光电极表面构筑合适的MOFs表面透明钝化层,有多重优势:

(1)透明,不影响光电极的捕光性能;

(2)原位构筑,钝化层与光电极无缝衔接,有效消除缺陷位,降低表面复合,促进界面电荷传递;

(3)多孔网络,有利于共催化剂的负载,有利于反应物的扩散吸附。

研究者认为,进一步深入研究有望为开发新型MOFs薄膜材料基表面透明钝化层提供新的思路。这一研究成果近期发表在Advanced Energy Materials上,第一作者是中山大学环境科学与工程学院2016级博士研究生李晓博士,相关研究获得了国家自然科学基金(51372056, 51572209, 51672057, 51722205)等项目的经费支持。

【团队介绍】

刘升卫,中山大学环境科学与工程学院教授。2009年获得武汉理工大学材料物理与化学博士学位,师从余家国教授;2008-2009年在英国Bristol大学Stephen Mann教授研究组作为联合培养博士;2010-2015年在武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室先后任职助理研究员,副研究员,硕士生导师;2012-2014年在香港中文大学生命科学学院从事“香港学者”计划博士后研究;2015年至今中山大学环境科学与工程学院“百人计划”教授,主要从事环境材料和低碳技术研究,在JACS等国际知名期刊发表学术论文50余篇,论文被引用5000余次,多篇论文入选ESI 高被引论文。在半导体光催化材料结构调控及其环境与能源应用方面的研究成果获得1项国家自然科学二等奖(2014年)和2项湖北省自然科学一等奖(2013年,2016年)。

宋波,哈尔滨工业大学教授。 2003年、2005年分别获得武汉理工大学材料科学与工程专业、材料学专业工学学士、工学硕士学位(本硕连读);2008年获中国科学院物理研究所理学博士学位; 2013年获教育部新世纪优秀人才, 2017年国家自然基金委优秀青年基金获得者。

文章链接: Xiao Li, Shengwei Liu*, Ke Fan, Zhaoqing Liu, Bo Song* and Jiaguo Yu, MOF-based Transparent Passivation Layer Modified ZnO Nanorod Arrays for Enhanced Photoelectrochemical Water Splitting, Advanced Energy Materials, 2018, 1800101(1-7), https://doi.org/10.1002/aenm.201800101

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