基于电荷分离的光（电）催化剂结构设计及其性能调控.pdfVIP

摘要

在太阳光照条件下，光催化和光电化学（PEC）水分解因大规模从水中生产

可再生氢气而受到广泛关注。然而，在提高能量转换效率方面仍然面临诸多挑战，

例如，如何利用较长波长的光子产氢、如何提高在特定波长下反应效率以及如何

延长半导体材料的寿命。因此，调控光催化剂和光电极材料的半导体特性备受关

注，因为这直接关系到半导体材料在太阳光照下产生多少能够到达发生水分解反

应位点的光激发载流子。对于特定的半导体材料而言，表面修饰不仅有利于活化

半导体的水分解反应，而且对于促进电荷分离和提高材料在光激发下的稳定性也

至关重要。

通过有效合成和对比Pt-M/WO(M=Cu,Co,Ni)薄膜。与WO薄膜相比，Pt-

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M/WO3薄膜对亚甲基蓝（MB）溶液降解的光催化能力大大提高。由于双金属合

金Pt-M和WO之间的功函数（Φ）存在较大差异，因此在Pt-M/WO界面处出现

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能带弯曲。此外，Cu、Co或Ni等过渡金属的引入改变了Pt-M/WO3薄膜的电子

结构，有利于电子-空穴的分离和迁移。本研究提出了一种独特的策略，用于在

Pt-M修饰的WO3薄膜中实现光催化领域的电子调控。

以具有供体-受体（D-A）构型的质子化PyDTDO-3共轭聚合物和二维层状

MoS2为原料，构建了一种S型异质结（PPMS）。在可见光照射下，最佳的

PPMS-0.5%异质结光催化析氢效率为75.4mmolg1h1。密度泛函理论（DFT）计

算表明，内置电场的建立有利于PyDTDO-3中的电子自发转移到MoS2上，并且

界面处的MoS2具有丰富的S原子作为额外的光催化析氢反应活性位点。利用飞

秒瞬态吸收光谱（fs-TAS）动力学研究，结果表明来自PyDTDO-3导带（CB）的

电子转移加速了MoS2价带（VB）的空穴消耗。总之，S型异质结的PPMS表现

出促进的定向电荷迁移和增加的活性位点，共同增强了光催化析氢表现。

将具有3D分层花状结构的(Co,Ni)-MOF阵列涂覆在珊瑚状WO/W薄膜上。

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最佳的(Co,Ni)-MOF/WO/W光阳极在0.5MNaSO溶液中，1.23V下表现出

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2.96mAcm−2的高光电流密度，并且PEC电池在AM1.5G太阳光下表现出优异

的太阳能-氢（STH）效率（2.17%）。同时，光辅助开尔文探针力显微镜（KPFM）

已经证明了光生电荷的分离行为和空间分布。此外，通过DFT计算揭示了d带中

心的移动和析氧反应（OER）吉布斯自由能的变化。总体而言，Co2+、O2−、Ni2+

和W6+离子的耦合效应可能导致(Co,Ni)-MOF/WO/W光阳极中的电子离域，提

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高OER活性并最终改善PEC水分解表现。

太阳光照条件下的光催化和光电化学水分解吸引广泛关注，但提高能量转换

效率仍面临挑战。本文研究聚焦于调控光催化剂和光电极材料的半导体特性，以

增强光激发和电荷分离。这些发现为光催化和光电化学水分解提供了重要的电子

调控策略。

关键词：光催化，光电化学，电荷分离，S型异质结，水分解产氢

Abstract

Photocatalyticandphotoelectrochemical(PEC)watersplittingundersolar

illuminationconditionshasattract