上海大学王林军团队：太阳能光电化学分解水制氢领域取得重大实验进展

【成果简介】 

近日，上海大学材料学院电子信息材料系王林军教授团队在太阳能光电化学分解水制氢领域取得重大实验进展，以铁电极化理论为基础设计并合成了具有高效光吸收和电荷分离能力的TiO₂-SrTiO₃核壳结构的纳米线阵列。研究成果以“Simultaneous Enhancement of Charge Separation and Hole Transportation in TiO₂-SrTiO₃ Core-Shell Nanowire Photoeletrochemical System”为题，于5月15日发表在国际材料顶尖期刊Advanced Materials上，上海大学为第一单位。该论文第一作者为上海大学16级硕士研究生吴飞同学，通讯作者包括上海大学杨伟光副研究员、王林军教授以及美国威斯康星大学麦迪逊分校王旭东教授。

【图文导读】

图1 纳米线阵列的形貌和成分分析

(a-d) TiO₂ 纳米线和以TiO₂为核-STO为壳的纳米线的扫描电子显微镜（SEM）图像。

(e) FTO基板，原始TiO₂纳米线阵列和具有四种不同厚度的STO外壳的TiO₂-STO核壳结构纳米线的XRD图样。

图2 TiO ₂ 纳米线的结构和元素特征

【研究内容】

目前，太阳能光电化学分解水制氢是太阳能转化技术的研究热点，在太阳能开发与利用领域具有巨大的应用潜力。光电化学电池（Photoeletrochemical cell，PEC）电极材料须具有以下特征：合适的禁带宽度、高效的载流子分离效率以及稳定的化学性质。电极材料在一定的光照条件下进行有效光吸收产生电子-空穴对，然后分别借助光生空穴的强氧化性和光生电子的强还原性发生析氧和析氢反应，从而实现水的分解。该研究领域的核心目标是提高体系的光吸收效率和电荷分离效率，从而提高其光-氢（Solar-to-Hydrogen）转化效率。

针对以上两个技术关键点，该课题组分别从微观形貌控制和晶体生长两方面设计并合成了TiO2-SrTiO3核壳结构的纳米线阵列光阳极。首先采用一维TiO2纳米线阵列降低晶体尺寸，极大地增大了光阳极材料的比表面积，提高体系的光吸收效率，缩短了空穴的扩散距离，促进光生载流子的运输，从而减少载流子的复合。其次，在TiO2纳米线表面原位生长一层SrTiO3形成核壳异质结构，利用纳米壳层SrTiO3的自发极化电场促进核层TiO2中电子-空穴对的分离和传输，并揭示其工作机理。该研究工作得到了同行评审者的充分肯定，对于铁电半导体材料在促进载流子输运机制方面提供了重要的理论和应用价值。

原文链接：http://news.shu.edu.cn/Default.aspx?tabid=454&ctl=Details&mid=1072&ItemID=38972&SkinSrc=[L]Skins/SHUnews_o/SHUnews_1.

文献链接：Simultaneous Enhancement of Charge Separation and Hole Transportation in a TiO2–SrTiO3 Core–Shell Nanowire Photoelectrochemical System(Adv. Mater., 2017, 10.1002/adma.201701432)

本文由材料人编辑部洪扬编辑，点我加入材料人编辑部。

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