基于二维层状半导体材料的光电极特性及其研究进展

发布时间：2021-06-24 20:29

　　自石墨烯被发现以来,具有带隙的二维层状半导体材料得到了广泛关注,它们可以覆盖太阳光谱中从红外到紫外的各个波段范围,为充分利用太阳能奠定了基础。光电极作为光电化学池的重要组成部分,能够直接将太阳能转化成化学能,可以实现光催化制氢,是目前光电研究的前沿方向。二维层状材料由于具有比表面积大、容易担载、缺陷的化学活性强等优点,成为目前光电极研究的首选材料,在高效利用太阳能方面具有潜在的应用价值。从光电极的基本光物理和光化学过程出发,文中介绍了基于二维材料光电极的制备、光电特性及其最新研究进展,并对其未来的发展趋势进行了思考和展望。 

【文章来源】：西北大学学报(自然科学版). 2020,50(03)北大核心CSCD

【文章页数】：17 页

【部分图文】：

制备二维材料的常用方法

图1 制备二维材料的常用方法常用的光电极材料如TiO2主要工作在紫外波段,而Fe2O3主要工作在可见波段。如图3所示为AM1.5标准太阳光谱数据,可以看出紫外区域只占整个光谱区能量的4%～5%,可见光区域占整个光谱区能量的43%～46%,而红外区域占整个光谱区能量的45%～49%。如何根据太阳光谱的特点,充分利用好各个波长的光的能量,对于提高光电极的效率尤其重要。二维材料的宽谱响应为光电极的设计提供了更多的选择性。

为了尽可能利用太阳光各个波段的能量,发展窄带隙半导体二维材料来加强吸收可见波段乃至红外波段的光将成为光电极材料发展的趋势。除了考虑带隙宽度因素外,合适的导带价带位置对光电极材料的选择也至关重要[47]。材料的能带位置决定着光生电子和空穴的氧化还原电位,在光解水反应中导带底位置需要负于H+/H2的还原电位(OV vs.NHE),才能使得H原子之间两两结合形成H2。价带顶位置要比O2/H2O的氧化电势(1.23V vs.NHE)更正,才能使得水中O2-离子被空穴氧化为O原子,并结合成O2。因此只有符合此类能带位置的材料才能将水分子完全分解成H2和O2。图4分别计算了单层III硫族化合物,二维过渡金属硫族化合物和金属磷化物三卤化物的能带结构排列,相关预测证明了大量二维材料例如GaS,WS2,MoS2和ZnPS3等适合作为光催化分解水的电极材料[48]。图4 能带结构排列

【参考文献】：
博士论文
[1]高效可见光催化剂的构建及催化增强机理研究[D]. 万俊.西北大学 2018

硕士论文
[1]钒酸铋/硅纳米线光电化学器件分解水的研究[D]. 许盼.南京大学 2015



本文编号：3247777