功能化的纳米结构金属氧化物助力催化分解水

材料牛注：利用太阳能分解水得到更加清洁的能源越来越受到科学家的重视，但是电极材料的缺陷使得该项技术进展缓慢，目前，有研究人员使用功能化的纳米结构金属氧化物作为催化剂来分解水，已取得进展。

随着化石能源燃烧带来的污染，以及其日益减少的产量，人们已开始将目光投向环境友好型可再生能源。利用太阳能光解水产生氢气和氧气则被认为是一个理想的解决日益增长的全球能源需求的方式。

半导体材料作为光电化学催化剂在提高效率方面一直扮演着重要的角色。它具有高稳定性、简单易合成性，无毒性和低成本等特点，因而受到研究人员的青睐，例如ZnO和α-Fe2O3等。然而，一些缺陷限制了它们在太阳能光解水过程中的应用。例如, ZnO光吸收能力差, 而α-Fe2O3的载流子容易受限，表面上存在大量的电子空穴。

用量子点制备氧化锌纳米棒是一种激活氧化锌的有效方式。研究人员将化学腐蚀制备的氧化锌纳米棒和化学沉积制备的硒化镉结合起来，得到双层管状结构的CdSe / ZnO异质结。他们发现这有利于促进光解水。在CdSe / ZnO异质结中, ZnO纳米管可以通过II型带状结构有效地注入CdSe里，从而使电子被可见光激发。然后进入到掺氟的氧化锡基质以及单晶ZnO纳米管里。此外，化学蚀刻过程使得{ 1010 }晶面暴露在外，从而具有更高的光催化活性。由于这些增强的光学吸收能力,使得大量的{ 1010 }晶面暴露在外，因此具有较大的比表面积和优越的电荷分离效率。CdSe / ZnO管状纳米管阵列显示光电流密度达到2.5mA/cm2，是氧化锌的12倍。

关于α-Fe2O3，研究人员通过将其与异类元素掺杂来提高它的电荷载流子迁移率。然而，要将其应用在太阳能光解水中，表面结合的问题还需要解决。通过等离子体增强化学气相沉积将氧化钛覆盖在α-Fe2O3表面上以“修饰”α-Fe2O3。研究人员证明了α-Fe2O3表面结合中心发生有效的钝化，其压电性能提高了5倍.

Fig 1. 运行状态的CdSe / ZnO双层纳米管阵列使太阳能分解水

最近，研究人员制造了α-Fe2O3 / (Agx Fe2−xO3)纳米阵列作为太阳能光解水的阳极。通过Mott-Schottky方程和靠近x射线吸收限边缘的结构分析表明，与银表面掺杂不仅可以增加电荷载体表面附近的浓度也有助于氧电催化作用,从而降低表面空穴的积累和结合。此外, x射线衍射的原位显示,与氧有关的空洞主导氧气演化过程。α-Fe2O3 / Agx Fe2−xO3纳米阵列和Agx Fe2−xO3覆盖物可以加快表面氧化的反应动力学,协同促进提高压电性能。因此,α-Fe2O3 / Agx Fe2−xO3纳米薄膜展示了远高于α-Fe2O3薄膜压电性能,尤其是在可见光区域。附带光电流效率从2.2%上升到8.4%。

研究人员证明了构建金属氧化物纳米结构形成异质结是一种改善光电特性和压电性能的有效方法。然而，仍然需要做进一步的调查，防止由晶体表面错位引起的结合中心不匹配问题。

原文参考链接：Functionalized metal oxide nanostructures as catalysts for solar water splitting

感谢材料人编辑部赵丹提供素材