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天津師范大學物理與材料科學學院王立群團隊在《ACS Applied Materials & Interfaces》發(fā)表一文章系統(tǒng)研究了一種銅離子注入和氮化碳修飾協(xié)同增強的TiO2納米管陣列，并將其與鈣鈦礦太陽能電池(perovskite solar cell, PSC)集成，用于高效和穩(wěn)定的無偏壓PEC水分解制氫。
光電化學(photoelectrochemical,PEC)水分解是一種將太陽能轉化為氫能的有效方法，對全球能源的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。在PEC水分解過程中，光陽極所涉及的析氧反應(oxygen evolution reaction, OER)由于涉及復雜的四電子機制，導致其動力學過程十分緩慢，因此極大地限制了整個PEC水分解的效率。此外，目前人們普遍采用的光氧陽極材料，如TiO2，還存在可見光響應低和激子復合率高等缺點。
鑒于此，物理與材料科學學院的王立群團隊聯(lián)合天津大學梁驥教授和南開大學蔡宏琨教授發(fā)展了一種Cu離子注入和氮化碳(polymeric carbon nitride, PCN)修飾的TiO2納米管陣列，并將其與PSC進行集成，用于高效和穩(wěn)定的無偏壓PEC水分解制氫。該工作通過兩步法，即離子注入和真空浸漬，成功制備了Cu離子摻雜和PCN納米片修飾的TiO2納米管陣列，如圖1所示。值得一提的是該陣列光陽極以Ti網基底，這為后續(xù)與PSC進行集成提供了基礎。
圖1 材料制備過程示意圖
相關實驗結果證實，與純TiO2陣列相比，經過Cu離子注入和PCN納米片修飾的光陽極表現(xiàn)出增強的可見光吸收以及窄化的禁帶寬度，這對于高效的太陽能利用具有重要意義。此外，改性后的光陽極還表現(xiàn)出了加速的激子分離和載流子傳輸能力。在三電極系統(tǒng)的PEC測試中，經過改性的TiO2光陽極表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，其光電流密度、太陽能-氫能轉化效率以及偏壓光電效率分別達1.89mA cm?2(1.23 VRHE)、2.31%和1.20%(0.46VRHE)。此外，由于該TiO2納米管陣列是以鈦網為基底的，因此其能夠和PSC實現(xiàn)有效集成，從而達到高效和穩(wěn)定的無偏壓水分解制氫(圖2a-b)。
圖2 a)PEC/PSC集成電池的機理示意圖；b)PEC/PSC集成電池在一個連續(xù)8小時的PEC測試中的J?t曲線
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