自石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來(lái),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(yáng)光譜中從紅外到紫外的各個(gè)波段范圍,為充分利用太陽(yáng)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(yáng)能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能,可以實(shí)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(dān)載、缺陷的化學(xué)活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),成為目前光電極研究的首選材料,在高效利用太陽(yáng)能方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。從光電極的基本光物理和光化學(xué)過(guò)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(jìn)展,并對(duì)其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了思考和展望。 

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

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【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(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜數(shù)據(jù),可以看出紫外區(qū)域只占整個(gè)光譜區(qū)能量的4%～5%,可見光區(qū)域占整個(gè)光譜區(qū)能量的43%～46%,而紅外區(qū)域占整個(gè)光譜區(qū)能量的45%～49%。如何根據(jù)太陽(yáng)光譜的特點(diǎn),充分利用好各個(gè)波長(zhǎng)的光的能量,對(duì)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(jì)提供了更多的選擇性。

為了盡可能利用太陽(yáng)光各個(gè)波段的能量,發(fā)展窄帶隙半導(dǎo)體二維材料來(lái)加強(qiáng)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(shì)。除了考慮帶隙寬度因素外,合適的導(dǎo)帶價(jià)帶位置對(duì)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(fù)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(jià)帶頂位置要比O2/H2O的氧化電勢(shì)(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(jì)算了單層III硫族化合物,二維過(guò)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(cè)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(xiàn)】：
博士論文
[1]高效可見光催化劑的構(gòu)建及催化增強(qiáng)機(jī)理研究[D]. 萬(wàn)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(hào)：3247777