介紹了光電催化（PEC）分解水和還原CO₂的基本原理、研究進(jìn)展。探討了提高PEC效率的關(guān)鍵策略,主要包括通過(guò)能帶調(diào)控、形貌控制和敏化提高光吸收,通過(guò)助催化劑促進(jìn)表面反應(yīng),以及通過(guò)構(gòu)建局部偶極或異質(zhì)電場(chǎng)、形貌調(diào)控和界面修飾促進(jìn)電荷分離與傳輸?shù)取?nbsp;

【文章來(lái)源】：科技導(dǎo)報(bào). 2020,38(23)北大核心CSCD

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【部分圖文】：

PEC分解水示意

PEC體系具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：（1）電極/溶液界面處的電場(chǎng)可促進(jìn)光生電荷分離，使光生電荷形成單向遷移，降低電荷復(fù)合；（2）可以通過(guò)2個(gè)電極間電勢(shì)差或外加偏壓輔助電荷分離，使很多熱力學(xué)上不滿足分解水（或還原CO2）的材料在偏壓輔助下可用于PEC體系；（3）氧化和還原反應(yīng)在空間上分離，可通過(guò)離子傳導(dǎo)膜隔開(kāi)，氧化和還原產(chǎn)物分別在陽(yáng)極和陰極上析出，避免了逆反應(yīng)和產(chǎn)物的后續(xù)分離。此外，還可將光伏電池和光電極材料通過(guò)歐姆接觸連接（圖2(a）和（b）），利用光伏電池產(chǎn)生的光生電壓輔助PEC反應(yīng)。也可將光伏電池與電催化劑直接通過(guò)歐姆接觸連接，太陽(yáng)能發(fā)電耦合電催化水分解反應(yīng)（圖2(c）），這種體系本質(zhì)上不是光電催化，但是仍可看作是太陽(yáng)能-化學(xué)能轉(zhuǎn)化的過(guò)程。疊層Si電池和Co/Ni基電催化劑耦合體系太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為氫能效率（STH）可達(dá)16%[6]；利用III-V族Ga In As/Ga In P光伏-光陰極疊層吸光結(jié)構(gòu)，用Ru Ox和Rh分別作為水氧化和質(zhì)子還原助催化劑，STH可達(dá)19.3%[7]。光伏電池輔助的體系效率較高，但是材料通常不穩(wěn)定且環(huán)境不友好，成本也比較高，因此規(guī)�；瘧�(yīng)用仍有很多問(wèn)題。2 PEC體系重要參數(shù)和提升性能的策略

光生載流子從產(chǎn)生到參與表面反應(yīng)，必須經(jīng)歷多區(qū)域、多種形式的分離和傳輸過(guò)程，才能避免被復(fù)合。電荷分離效率是影響PEC效率的關(guān)鍵因素。n型半導(dǎo)體與電解液接觸時(shí)，在暗態(tài)平衡條件下在近表面形成空間電荷層，表面能級(jí)向上彎曲，形成從半導(dǎo)體內(nèi)部指向表界面的內(nèi)建電場(chǎng)（Ein）（圖5）。半導(dǎo)體受光激發(fā)產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，開(kāi)路條件下能級(jí)彎曲程度減少，持續(xù)光照時(shí)電子-空穴的產(chǎn)生與復(fù)合將處于動(dòng)態(tài)平衡，空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)向下移動(dòng)產(chǎn)生光生電壓（Vph）。當(dāng)光陽(yáng)極與對(duì)電極構(gòu)成回路并施加一定正電位時(shí)，光生空穴遷移至陽(yáng)極表面，從溶液中捕獲電子，發(fā)生氧化反應(yīng)；電子遷移至對(duì)電極，發(fā)生還原反應(yīng)，光生電荷在外電路的流動(dòng)形成光電流。有效的電荷分離需要足夠的驅(qū)動(dòng)力。例如，n型半導(dǎo)體耗盡層（depletion region）內(nèi)存在內(nèi)建電場(chǎng)，電荷復(fù)合概率很低。只有在近表面處、空間電荷層厚度dsc和擴(kuò)散長(zhǎng)度Ln范圍內(nèi)的光生電荷才能發(fā)生有效分離。外加電位的變化，主要改變耗盡層能級(jí)彎曲的程度，進(jìn)而影響半導(dǎo)體表面費(fèi)米能級(jí)位置和載流子密度，相當(dāng)于直接引入了電荷分離和傳輸?shù)尿?qū)動(dòng)力。因此，適當(dāng)?shù)耐饧悠珘嚎梢源龠M(jìn)電荷分離[25]。為了促進(jìn)電荷分離和傳輸，可以通過(guò)元素?fù)诫s，構(gòu)建復(fù)合電極，表界面調(diào)控等策略。2.3.1 構(gòu)建局部電場(chǎng)


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