自石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來,具有帶隙的二維層狀半導(dǎo)體材料得到了廣泛關(guān)注,它們可以覆蓋太陽光譜中從紅外到紫外的各個波段范圍,為充分利用太陽能奠定了基礎(chǔ)。光電極作為光電化學(xué)池的重要組成部分,能夠直接將太陽能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能,可以實現(xiàn)光催化制氫,是目前光電研究的前沿方向。二維層狀材料由于具有比表面積大、容易擔載、缺陷的化學(xué)活性強等優(yōu)點,成為目前光電極研究的首選材料,在高效利用太陽能方面具有潛在的應(yīng)用價值。從光電極的基本光物理和光化學(xué)過程出發(fā),文中介紹了基于二維材料光電極的制備、光電特性及其最新研究進展,并對其未來的發(fā)展趨勢進行了思考和展望。 

【文章來源】：西北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2020,50(03)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：17 頁

【部分圖文】：

制備二維材料的常用方法

圖1 制備二維材料的常用方法常用的光電極材料如TiO2主要工作在紫外波段,而Fe2O3主要工作在可見波段。如圖3所示為AM1.5標準太陽光譜數(shù)據(jù),可以看出紫外區(qū)域只占整個光譜區(qū)能量的4%～5%,可見光區(qū)域占整個光譜區(qū)能量的43%～46%,而紅外區(qū)域占整個光譜區(qū)能量的45%～49%。如何根據(jù)太陽光譜的特點,充分利用好各個波長的光的能量,對于提高光電極的效率尤其重要。二維材料的寬譜響應(yīng)為光電極的設(shè)計提供了更多的選擇性。

為了盡可能利用太陽光各個波段的能量,發(fā)展窄帶隙半導(dǎo)體二維材料來加強吸收可見波段乃至紅外波段的光將成為光電極材料發(fā)展的趨勢。除了考慮帶隙寬度因素外,合適的導(dǎo)帶價帶位置對光電極材料的選擇也至關(guān)重要[47]。材料的能帶位置決定著光生電子和空穴的氧化還原電位,在光解水反應(yīng)中導(dǎo)帶底位置需要負于H+/H2的還原電位(OV vs.NHE),才能使得H原子之間兩兩結(jié)合形成H2。價帶頂位置要比O2/H2O的氧化電勢(1.23V vs.NHE)更正,才能使得水中O2-離子被空穴氧化為O原子,并結(jié)合成O2。因此只有符合此類能帶位置的材料才能將水分子完全分解成H2和O2。圖4分別計算了單層III硫族化合物,二維過渡金屬硫族化合物和金屬磷化物三鹵化物的能帶結(jié)構(gòu)排列,相關(guān)預(yù)測證明了大量二維材料例如GaS,WS2,MoS2和ZnPS3等適合作為光催化分解水的電極材料[48]。圖4 能帶結(jié)構(gòu)排列

【參考文獻】：
博士論文
[1]高效可見光催化劑的構(gòu)建及催化增強機理研究[D]. 萬俊.西北大學(xué) 2018

碩士論文
[1]釩酸鉍/硅納米線光電化學(xué)器件分解水的研究[D]. 許盼.南京大學(xué) 2015



本文編號：3247777