稳定高效α-Fe2O3光电化学水分解——合理的材料设计和载流子动力学

• 作者: 李长明 杨萍萍 谢佳乐
• 来源期刊: 材料导报
• 学科: 化学
• 关键词: 赤铁矿 光电化学水分解 材料设计 载流子动力学
• 年，卷（期）: 2018,（7）
• 所属期刊栏目: 材料与可持续发展(一)——面向洁净能源的先进材料
• 页码范围: 1037-1056
• 页数: 20页
• 分类号: O649
• 字数: 10488字
• 语种: 中文
• DOI: 10.11896/j.issn1005-023X201807001

摘要

氢能是非常清洁的能源.发展高效、清洁和低成本的产氢装置是利用氢能的首要关键技术问题.光电化学水分解是首选的制氢技术之一.它可实现室温下直接水分解和氢氧分离,并不完全受限于太阳光的周期性波动;其产氢装置可全部由无机材料制成,有好的化学活性和使用寿命.但是,光电化学水分解技术的效率目前还无法满足实际应用的要求,特别是还不能实现长期稳定运行,存在一定的性能衰减.在各种光电极材料中,α-Fe2O3是非常重要且具有潜力的稳定高效的光阳极材料,已成为近年来研究的热点.α-Fe2O3又称赤铁矿,储量丰富,在光电化学水分解中具有良好的稳定性、低成本和良好的太阳光谱响应等优势,已成为最具应用前景的光电极材料.然而,α-Fe2O3固有的一些问题诸如电荷传输差、表面复合严重、电荷转移动力学缓慢等限制了其实际应用.近年来,研究者们已发展了多种多样的策略和途径,例如掺杂、纳米化、异质结和表面处理等来解决上述问题.多种金属和非金属元素如 Ti、Sn、Si、S等掺杂的α-Fe2O3表明,异质原子的引入会降低电子的有效质量,进而提高导电性,还会影响α-Fe2O3的晶体扭曲和活性位点等性质.从零维、一维、二维、三维到层级结构的α-Fe2O3都已经成功合成;同时,纳米化也拓展到导电基底的规则阵列图案化,α-Fe2O3纳米化能够促进光生空穴产生和利用,已成为α-Fe2O3光电化学水分解性能提升的重要途径.研发的 n-n型和 p-n型α-Fe2O3异质结如α-Fe2O3/ZnFe2O4、p-Si/α-Fe2O3等已较大地提高了其光电催化水分解性能,其中异质结很大程度上促进了α-Fe2O3光吸收、光生电荷分离和电极过程动力学.α-Fe2O3表面处理如催化剂修饰、钝化层修饰、化学/电化学刻蚀、气氛处理等,则显著改善了α-Fe2O3电极的电荷转移、析氧动力学,并抑制了电荷复合.本文主要从材料设计和载流子动力学这两个角度,综述了不同策略和途径对α-Fe2O3光电化学水分解性能的影响,分析了纳米结构以及材料复合等处理方式对α-Fe2O3光电极性能影响的构效关系,并进一步深入分析了光电化学水分解反应中载流子的动力学过程,建立了α-Fe2O3光电极性能提升和光生载流子之间清晰的物理图像.此外,本文还介绍了光电化学水分解的基本原理和物理过程.该综述可为今后合理设计制备基于α-Fe2O3的稳定高效光电极提供有益的理论指导与实验设计方法.

作者信息

序号	姓名	单位	发文数	被引次数	H指数	G指数
1	李长明	苏州科技大学材料科学与器件研究院	4	12	2.0	3.0
5	谢佳乐	苏州科技大学材料科学与器件研究院	1	1	1.0	1.0
6	杨萍萍	西南大学材料与能源学部	1	1	1.0	1.0