Nature Energy：TiO2薄膜修饰黑硅光电阳极带来光电化学效率和稳定性的提高

【引言】

将太阳光转化为电能，热能或者化学燃料是可再生能源利用的主要途径。利用光电化学法（PEC）从水中分离出氢气，可以降低对化石燃料的依赖，并解决气候变暖的问题。为了实现以上目标，PEC必须具备高效，简单和成本低的特点，这就对电极材料的选择提出了很高的要求。主要应用的材料有半导体氧化物，如TiO₂，Fe₂O₃ 和BiVO₄等，他们虽然成本低稳定性好，但是效率却不高。除此以外，硅也是一种很好的PEC材料。

【成果简介】

来自北京科技大学的张跃教授和威斯康星大学麦迪逊分校的Xudong Wang 副教授（共同通讯作者）近日在Nature Energy发表了题为Enhanced photoelectrochemical efficiency and stability using a conformal TiO₂ film on a black silicon photoanode的文章，介绍了他们在光电化学太阳能燃料上的最新进展。他们在纳米结构的黑硅（b-Si ）表面上，成功的覆盖了超薄TiO₂保护膜，使得在光电化学转化过程中，光电流密度显著提高，同时器件的效率也大大提升。

[致歉：很抱歉，未能找到通讯作者Xudong Wang的确切中文名字，小编表示诚挚的歉意！]

【图文导读】

图1.黑硅光阳极的显微观察及光谱表征

ab. b-Si/TiO₂的SEM照片的前视图和断面图

cd. b-Si/TiO₂/Co(OH)₂的SEM照片的前视图和断面图

ef. 蓝色虚线区域EDS的表征结果在补充信息的Fig. 1c,d中展示

g. b-Si/TiO₂/Co(OH)₂的TEM照片

hij.  b-Si/TiO₂/Co(OH)₂的表征

k. 电沉积 Co(OH)₂薄层的高分辨TEM照片

l. b-Si/TiO₂/Co(OH)₂中Co的X射线光电子能谱测量

图2.平面硅及黑硅光电阳极的PEC水氧化性能测试对比图

a. b-Si/TiO₂/Co(OH)₂中电流形成和氧演化过程原理示意图

b. 平面 Si/Co(OH)₂，平面 Si/TiO₂/Co(OH)₂、b-Si/Co(OH)₂、 b-Si/TiO₂/Co(OH)₂ 电极的电流密度-电压曲线（Jph–V）

c. 一系列 Si/Co(OH)₂双层电容电极的对比图

d.  平面 Si, b-Si 和 b-Si/TiO₂样品的光反射-散射光谱图

图3.黑硅基光电阳极的亚硫酸盐氧化和电荷分离性能测试图

a. b-Si/Co(OH)₂和b-Si/TiO₂/Co(OH)₂对亚硫酸盐氧化的Jph–V测量曲线

b. 从上图中估算出b-Si/Co(OH)₂ 和b-Si/TiO₂/Co(OH)₂的电荷分离效率

图4.空气和电解液中黑硅光阳极的稳定性测量

a.新组合的样品及大气中老化三个月 b-Si/TiO₂/Co(OH)₂ 的 Jph–V 测量曲线

b. b-Si/Co(OH)₂ 和 b-Si/TiO₂/Co(OH)₂ 的光电流密度-时间测量曲线

c.  b-Si/TiO₂/Co(OH)₂ 和光电化学氧化3、4小时的 b-Si/TiO₂/Co(OH)₂ SEM选取照片

【小结】

本文作者合成了稳定的黑硅光阳极，在PEC水分解中表现了良好的电荷分离能力。利用ALD技术在p-Si整个通道的表面覆盖一层8nm厚的空穴导电的无针孔TiO₂保护层，结合 Co(OH)₂ OER 催化剂优化薄层，这种黑硅光电极表现出了 32.3 mA cm^-2 的饱和光电流，显著优于 Si/Co(OH)₂ 和 b-Si/Co(OH)₂ 。这项成果表明， ALD TiO_2 可以同时提升黑硅电化学系统的效率和稳定性，给太阳能发电的燃料带来新的希望。

文献链接：Enhanced photoelectrochemical efficiency and stability using a conformal TiO2 film on a black silicon photoanode( NATURE ENERGY ., 2017, DOI: 10.1038/nenergy.2017.45 )

本文由材料人新能源组 YueZhou 供稿，材料牛编辑整理。

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