中科院纳米能源所&济南大学Adv. Funct. Mater.：压电效应增强p-n结全光谱光电催化

【背景介绍】

基于半导体材料的光电化学（PEC）催化技术是实现太阳能高效利用的有效方法之一，有望解决全球的环境问题与能源危机。目前纳米TiO₂一直被认为是一种最重要的太阳能捕获和光电转换半导体进行研究。但是TiO₂只能利用太阳光中的紫外部分，且其光生载流子易复合利用效率低。因此，作为光电化学分解制氢的光催化剂需要满足三个条件：1.光催化活性材料与衬底电极之间的直接接触，保证电子快速传输；2.全谱光催化，保证更大限度地利用太阳能；3.降低光生载流子复合率，提高载流子利用效率。目前研究发现，压电效应（压电势）构建内建电场能够增强载流子在金属与半导体、半导体与液体界面之间的传输，但是在调控p-n结处的载流子传输方面还尚无报道。

【成果简介】

近日，中科院北京纳米能源与系统研究所李琳琳研究团队、王中林院士研究团队，与济南大学于欣研究团队（共同通讯作者）在前期通过压电势调控肖特基结增强光催化抗菌的研究基础上（Nano Energy, 2018, 46, 29-38），设计了一种压电效应增强的p-n结型全光谱光电催化剂，具有高效的光电催化能力。

首先，在导电玻璃上原位生长TiO₂单晶纳米棒，保证了载流子的快速传输；在n型TiO₂的表面负载p型Ag₂O纳米颗粒，由于Ag₂O的禁带宽度窄，其光的吸收利用能够到达近红外区，并且与n-TiO₂形成的p-n结能使载流子定向传输。更为重要的是，通过在p-n结处插入具有压电效应的BaTiO₃（BTO）纳米层，能够进一步增强TiO₂与Ag₂O中电子和空穴的分离能力。通过外加电场增强载流子的定向传输，使其具有高效的光电PEC性能。研究成果以题“Piezoelectric-Effect-Enhanced Full-Spectrum Photoelectrocatalysis in p–n Heterojunction”发表在国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上。中科院北京纳米能源所博士生刘志荣与济南大学硕士生王龙伟是文章的并列第一作者。

【图文解析】

图一、TiO₂/BTO/Ag₂O纳米棒阵列的制备与形貌表征

（a）TiO₂/BTO/Ag₂O纳米棒阵列制备流程图；

（b-g）TiO₂，TiO₂/BTO，TiO₂/BTO/Ag₂O纳米棒阵列的SEM图像；

（h）TiO₂/BTO/Ag₂O纳米棒分层结构的高分辨TEM图像；

（i）TiO₂/BTO/Ag₂O的元素分布mapping图。

图二、材料的结构、价态、吸收光谱与压电性的表征

（a）TiO₂，TiO₂/BTO，TiO₂/BTO/Ag₂O纳米棒阵列的拉曼谱图；

（b-c）TiO₂/BTO/Ag₂O纳米棒阵列的Ba和Ag的XPS能谱图；

（d）TiO₂，TiO₂/BTO，TiO₂/BTO/Ag₂O纳米棒阵列的UV-visible吸收光谱图；

（e-f）TiO₂/BTO/Ag₂O纳米棒阵列压电力显微镜（PFM）的表征。

图三、材料的光电性能的表征

（a-c）在紫外可见近红外光下材料的光电流；

（d）在模拟太阳光下材料的光电流；

（e）光电流随着偏压的增大而增加；

（f）光电流稳定性的测试。

图四、材料的电化学阻抗谱的测试

（a）在黑暗条件下TiO₂，TiO₂/BTO，TiO₂/BTO/Ag₂O纳米棒阵列的电化学阻抗谱；

（b）在光照条件下TiO₂，TiO₂/BTO，TiO₂/BTO/Ag₂O纳米棒阵列的电化学阻抗谱。

图五、压电增强光电催化的机理

（a）压电层BaTiO₃促进TiO₂与Ag₂O中载流子分离示意图；

（b）光电催化中载流子定向流动示意图。

小结

该研究通过在n-TiO₂和p-Ag₂O之间插入BaTiO₃纳米层形成了多层同轴的纳米棒阵列光电阳极，通过极化中间层的BaTiO₃成功的制备了压电效应增强的全光谱光电催化剂。中间层BaTiO₃能够在界面处产生压电势，吸引n-TiO₂产生的空穴与p-Ag₂O产生的电子，从而降低了其载流子的复合率，提高了其分离能力，大大提高了光阳极的光电催化性能。本工作为压电效应增强光电催化提供了一种新的策略，为压电效应在半导体界面处调控载流子的研究提供了参考。

文献链接：Piezoelectric-Effect-Enhanced Full-Spectrum Photoelectrocatalysis in p–n Heterojunction (Adv. Funct. Mater. 2019, 1807279, DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.201807279)

通讯作者及团队介绍

王中林，中国科学院外籍院士和欧洲科学院院士。现为佐治亚理工学院终身校董事讲席教授，Hightower终身讲席教授，中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长兼首席科学家。已在国际一流刊物上发表了超过1400篇期刊论文（其中40余篇发表在 Science、Nature及子刊上），7本科学专著，超过200 项专利。Nano Energy 的发刊主编和现任主编。他已被邀请做过900多次学术讲演和大会特邀报告。2015年汤森路透引文桂冠奖获得者，2018年第十一届埃尼“前沿能源奖”获得者，位列Google Scholar（谷歌学术）2018年公布的全球纳米技术专家学术引用与影响力排行榜第一名。王中林院士的研究具有原创性，前瞻性和引领性。他在电子显微学和纳米科学方面有多项国际重要影响力的原创性和开创性研究成果，其中包括反射电子能量损失谱，等离子体激发，电子的非弹性散射理论，透射显微镜中纳米材料的力学和电学性能的原位测量技术，纳米氧化锌的生长和控制，纳米发电机，压电电子学，压电光电子学，纳米传感等。

网页链接：http://www.nanoscience.gatech.edu/

李琳琳，中科院北京纳米能源与系统研究所/纳米能源与生物传感课题组负责人。2002年获安徽大学学士学位，2005年获北京师范大学硕士学位，2008年获中科院理化所博士学位。曾获2014年中科院卢嘉锡青年人才奖，2015年中科院青年促进会会员。主持国家自然科学基金、北京市自然科学基金等10余项项目。在Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy等学术期刊发表第一/通讯作者40余篇，论文共被引用5000余次，H-index为32，获授权发明专利7项，参编英文专著3章。

网页链接：http://www.escience.cn/people/linlinnano/

于欣，济南大学前沿交叉科学研究院副研究员。2012年获河北工业大学学士学位，2017年获中科院北京纳米能源与系统研究所博士学位。主持山东省优秀青年人才基金，国家青年科学基金，山东省重大基础研究项目与山东省博士基金等。在Adv. Funct. Mater.、Nano Energy、ACS Nano、Appl. Catal. B-Environ. 等学术期刊发表论文30余篇，其中第一/通讯作者14篇。

网页链接：http://iair.ujn.edu.cn/info/1053/1264.htm

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