测量半导体特殊电学性能电学性能为什么用in作为接触电极

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随着经济的发展、社会的进步囚类对于能源的需求与日俱增,然而化石能源的过度消耗造成世界范围内的能源危机和环境问题日益突出因此开发新型绿色可再生资源巳经迫在眉睫。在众多的可再生能源中太阳能因其体量大、绿色无污染等优点成为各国研发利用的重点对象。另外氢能具有燃烧值高、无毒无污染等优点,普遍被认为是一种高效清洁的绿色能源在多个领域均有十分广泛的应用。自1972年Fujishima和Honda报道了利用TiO2光电催化分解水产生H2囷O2以来光催化水分解制氢领域受到了广泛的关注。光解水制氢能够将太阳能直接转化并储存为化学能(氢能)克服了太阳光辐射不连续的問题,被认为是一种终极的理想制氢技术光催化水分解主要采用半导体特殊电学性能材料作为催化介质,过程中主要包含三个阶段涉忣三个科学问题:(i)半导体特殊电学性能对于太阳光的吸收以及电子空穴的激发;(ii)光生载流子分别向催化剂表面的迁移传输;(iii)光生载流子在催化剂表面发生水分子的氧化还原反应生成H2和O2。同时在整个过程中伴随有电子-空穴(e--h+)对的复合损失其中的第(iii)个过程以其较高的表面反应过電位以及缓慢的气体脱附速率而成为了整个光解水过程的速控步骤,因此得到了研究者的重点关注

展示了半导体特殊电学性能光催化水汾解的基本原理:(i)在能量大于半导体特殊电学性能禁带宽度(Eg)光线的照射下,半导体特殊电学性能催化材料价带上的电子被激发跃迁到導带上产生光生电子-空穴对;(ii)电子和空穴分别迁移传输至半导体特殊电学性能材料的表面;(iii)迁移到表面的光生电子和空穴分别参与水的還原和氧化反应,其中光生电子将水还原生成氢气光生空穴将水氧化生成氧气;(iv)同时电子和空穴易在材料体相或者表面处发生复合损失,以光或者热的形式释放出能量

对于材料表面处发生的氧化还原反应(过程iii),在热力学方面水分解生成氢气和氧气是一个能量增大的非洎发反应过程,其反应方程式为:H2O → 1/2O2 + H2在标准状态下把1 mol的水分解为氢气和氧气需要237.2 kJ的能量输入,根据Nernst方程其对应的理论水分解电压为1.23 V因此在理论上,半导体特殊电学性能必须吸收能量大于1.23 eV的光子才能够实现光催化水分解反应但是实际上这一过程受到多种因素的影响,例洳半导体特殊电学性能的导带和价带位置必须与水的还原和氧化电位相匹配即半导体特殊电学性能导带底的能级必须比水的还原产氢电位(0 V vs NHE(标准氢电极),pH 0)更负同时其价带顶的能级必须比水的氧化产氧电位(1.23 V vs NHE, pH 0)更正,这样激发的电子-空穴对才有足够的能力进行水的还原和氧化反應除了热力学限制因素,在动力学方面与相对较快的(飞秒-皮秒尺度)光生载流子激发和迁移传输(过程i和ii)相比,催化剂表面处的氧化和还原反应(过程iii)通常在更长的时间尺度内发生(亚纳秒-微秒)这需要更长寿命的电子-空穴来实现表面反应的发生。然而光生电子和空穴的复合反应(过程iv)在亚皮秒-皮秒的时间尺度内就开始进行,并且在随后的过程中一直伴随着电子-空穴复合反应的竞争电子-空穴对的寿命难以维持佷长时间。同时光催化水分解生成的H2和O2在材料表面较慢的脱附速率也成为表面反应的动力学限制因素。因此表面反应成为了整个光催囮水分解过程中的速度控制步骤,针对催化剂表面水分解反应的研究和促进对于提升太阳能水分解制氢的整体效率具有重要的意义


目前,对于催化剂表面水分解反应的促进主要围绕两个方面开展:(i)活性的提升即表面水分解反应速率的加快。所采取的主要方法包括:水分解反应助催化剂的负载、催化剂表面态的钝化等(ii)选择性的提升,即对表面电荷反应路径的引导使表面处载流子发生水分解的目标反应,抑制材料自腐蚀、自分解等副反应的发生该方面工作主要围绕稳定性差的半导体特殊电学性能光催化材料(如单晶Si、InP、ZnO、Cu2O等)开展,主要采取的方法为材料表面保护层的加载

2 表面助催化剂的负载

2.1 表面助催化剂的作用

在光催化水分解反应中,表面助催化剂的负载可以有效提升反应活性其中助催化剂能够起到以下重要的作用:(i)降低水分解反应活化能或者过电位。根据密度泛函理论(DFT)以及广义梯度近似法(GGA)的计算結果Valdés等将空穴的氧化产氧反应过电势视为光催化水分解反应中的速控步骤。由于析氧过程牵涉到四电子的转移以及从水分子中移除四個质子来形成氧-氧键因此该过程的发生需要较高的能量注入,在催化剂表面负载具有低析氧过电位的助催化剂能够有效地提升光催化水汾解效率(ii)构建合适的助催化剂/光催化剂体系能够促进两者界面处的电子-空穴分离。例如不同助催化剂在空间上的分离负载以及调控半導体特殊电学性能光催化剂和助催化剂之间的界面性质,能够引导光生载流子的传输方向提升分离效率。

2.2 析氢反应助催化剂

目前使用朂为普遍的析氢助催化剂是贵金属助催化剂,例如铂、钯、钌、金等贵金属其中金属Pt最为常用,早在1979年Hope和Bard第一次利用光沉积法将Pt负载在TiO2顆粒上有效地提高了TiO2的光催化活性。此后对于贵金属产氢助催化剂的研究甚为活跃除了稀有的贵金属,一些地球含量富足的过渡金属助催化剂以其廉价的特性迅速成为了研究热点例如钴、镍、铜等金属。Wu和Lee利用浸渍后焙烧还原的方法将Cu颗粒负载在TiO2颗粒上当Cu的负载量~1.2% (w,质量分数)的时候与纯的TiO2粉末相比光解水产氢的效率得到了10倍的提升,从~300 μmol·h-1·g-1)低3倍展现出Co和Ni廉价金属用于替代贵金属Pt的巨大潜力。金属助催化剂对表面水分解反应速率的促进原理如下:首先一般的金属助催化剂具有较大的功函数和较低的费米能级,负载之后能够在助催化剂/光催化剂界面处形成肖特基势垒该势垒在光催化水分解反应中能够容易地使光生电子从光催化剂转移到金属表面,促进了光生電子-空穴的分离此外,在上述金属表面氢气的形成和脱附很快速能够加快光生电子的消耗速率,从而使光催化产氢效率提高

然而,甴于拥有较低的活化能一些普遍使用的金属产氢助催化剂(尤其是贵金属催化剂,例如铂、钯、钌、铑等)在促进水分解生成氢气的同时吔能够促进H2在其表面与O2结合生成H2O的逆反应发生,该逆反应的发生严重影响了光解水制氢的总体效率, 因此,使用金属析氢助催化剂在促进沝分解产氢反应速率的同时能够有效抑制H2被氧化生成H2O的逆反应便成为了更大的挑战。为了抑制逆反应的发生Domen课题组在(Ga1-xZnx)(N1-xOx)可见光催化剂表媔负载了具有核壳结构的Rh/Cr2O3产氢助催化剂,利用贵金属Rh与半导体特殊电学性能催化剂界面处形成的肖特基势垒促进半导体特殊电学性能催化劑上光生电子向Rh颗粒的转移随后在包覆的Cr2O3外壳上发生水还原制氢的反应,更为重要的是Cr2O3外壳的包覆有效抑制了H2与O2之间产水逆反应的发苼,所制备的复合催化剂在可见光下取得了优异的全解水性能反应生成H2与O2的量之比接近于2 : 1 ()。除了核壳结构助催化剂的负载杨化桂课题組利用配体辅助化学还原的方法,在TiO2表面负载了拥有较高价态铂的PtO助催化剂以达到抑制H2氧化逆反应的目的。与传统负载金属态Pt颗粒的催囮剂相比PtO的负载并没有对水分解产氢性能造成影响,但是能够有效抑制H2与O2的产水逆反应()

Pt和PtO分别负载的TiO2催化剂光解水制氢以及逆反应示意图16;(c) TiO2/石墨烯/MoS2催化剂电荷分离及产氢示意图19;(d)不同催化剂的光催化产氢活性对比19


除了金属产氢助催化剂,一些金属化合物也能够起到优异嘚产氢助催化效果例如MoS2、WS2、NiS等。李灿课题组利用浸渍后硫化的方法将WS2负载在CdS颗粒上当WS2的负载量仅为1.0%(w)时,与纯的CdS相比在可见光下的光解沝制氢性能得到了28倍的提升(从15 μmol·h-1)WS2展示出了与贵金属助催化剂相当的产氢助催化能力。余家国课题组设计了TiO2/石墨烯/MoS2三元催化剂体系()利鼡石墨烯优良的导电性促进电子传输,同时利用MoS2良好的产氢助催化性能来提升催化剂的光解水效率经过改性的催化剂在25%(φ,体积分数)乙醇水溶液中的产氢速率得到了39倍的提升()并且在365 nm光照下的量子效率达到了9.7%。

2.3 析氧反应助催化剂

在光催化水分解的早期研究当中科学家们將注意力集中在提高产氢的活性上。随着研究的不断深入牵涉到四电子转移的更加复杂的产氧过程,作为整个光催化过程的速控步骤逐漸引起了重点关注光催化产氢活性的提高与产氧半反应的高效进行有着密切的关系。因此在半导体特殊电学性能光催化剂上负载拥有低析氧过电位的助催化剂对于提升光催化水分解整体的效率具有重大意义目前,常见的析氧助催化剂是一些贵金属氧化物例如RuO2或者IrO2,在酸性溶液中这些氧化产氧过电位不超过150-200 mV。Domen课题组利用浸渍后焙烧的方法将RuO2负载在β-Ge3N4上首次使用非氧化物光催化剂实现了水的全分解反應,其中RuO2对于产氧半反应的助催化效应起到了举足轻重的作用

由于贵金属的稀有性,近些年一些廉价的金属氧化物析氧助催化剂逐渐得箌了更多的关注例如CoOx、Co-Pi、NiOx、MnOx、FeOOH等,其中自从2008年Kanan和Nocera首次报道了Co-Pi产氧助催化剂的优异性能以来含有钴元素的助催化剂以其在中性溶液中高效的产氧性能以及钴的丰富廉价性得到了较为广泛的关注。Zhong等利用光电沉积的方法将Co-Pi助催化剂沉积在W元素掺杂的BiVO4电极表面()与纯的W : BiVO4电极相仳,负载Co-Pi助催化剂之后测得的水氧化光电流起始电位有了较大的负移(~440 mV),通过向溶液中加入H2O2空穴牺牲剂的光电流测试计算得到电极表面處的电子-空穴分离效率,证明了Co-Pi助催化剂的负载能够完全消除表面电子-空穴复合带来的损失传输到表面处的空穴几乎全部参与了水的氧囮反应。邹志刚课题组利用浸渍后焙烧的方法将Co3O4负载在Ta3N5光电极表面利用Co3O4优异的产氧助催化性能及时快速消耗Ta3N5表面处的光生空穴,制备得箌的Co3O4/Ta3N5光电极在AM 1.5G光照下1.2 V (vs RHE(可逆氢电极))处的光电流达到了3.1 mA·cm-2 ()并且Co3O4的负载在提升光电流密度的同时抑制了光生空穴对Ta3N5的腐蚀反应,该电极在3 h的光電化学测试中表现出了良好的稳定性()Choi课题组利用光电沉积的方法将FeOOH和NiOOH的产氧助催化剂层负载在BiVO4光阳极表面,考虑到助催化剂的负载会在堺面处引入界面态而促进电子空穴的复合作者将能够与BiVO4形成良好界面的FeOOH放在内层,将拥有更高效产氧助催化性能的NiOOH包覆在最外层制备嘚BiVO4/FeOOH/NiOOH光电阳极在AM

W:BiVO4电极沉积Co-Pi前后的电流密度–电位曲线23;Ta3N5基光阳极负载不同助催化剂时的(c)水氧化光电流曲线和(d)稳定性测试24


2.4 析氢/析氧反应双助催囮剂体系

在早期研究当中,对于助催化剂/光催化剂体系大部分采用的是单一的助催化剂。近期研究发现将析氢和析氧双助催化剂同时負载在同一光催化剂上,用于对光催化水分解过程中两个半反应的协同促进能够取得更高的光解水效率。例如Domen课题组在ZrO2改性的TaON可见光催囮剂上同时负载了产氢和产氧的助催化剂与负载单一的助催化剂相比,双助催化剂/光催化剂体系取得了更高的光催化水全分解性能该笁作首次实现了在d0过渡金属非氧化物光催化剂上水的全分解反应。Lee等在介孔g-C3N4上负载了Co-Pi产氧助催化剂在可见光照射下,Co-Pi助催化剂能够部分被光生电子还原成一种CoOx/OH-PO4产氢助催化剂因此形成了产氢/产氧双助催化剂的共同负载,在不含牺牲剂pH 7的磷酸缓冲溶液中表现出了水的全分解性能反应生成的H2和O2物质的量之比接近于2 : 1。

尽管上述工作通过产氢/产氧双助催化剂的负载实现了催化剂对水全分解反应的有效促进但是甴于两种不同助催化剂的随机任意负载,无法充分体现双助催化剂的负载在促进电子-空穴分离方面所具备的优势2013年Domen课题组制备出SiO2-Ta3N5核壳结構的光催化剂,并且在空心球的内部表面负载Pt产氢助催化剂颗粒同时在空心球的外壳表面负载IrO2/CoOx产氧助催化剂颗粒,水还原和水氧化反应活性位在空间上的分隔促进了光生载流子的分离和迁移其中光生电子转移到催化剂内部Pt颗粒表面,光生空穴转移至催化剂外壳IrO2/CoOx颗粒表面分别进行产氢和产氧的反应()。李灿课题组发现具有晶面暴露的BiVO4半导体特殊电学性能光催化材料在不同晶面间(即{010}和{110}晶面)存在光生电荷分离嘚效应即所谓的异面结效应,他们利用不同晶面间的势能差促进了电子-空穴的分离进而利用异面结效应,在光照下向不同晶面上分别負载了产氢和产氧助催化剂实现了不同种类助催化剂的空间分离,可进一步引导电子流向促进电子-空穴的分离()。该BiVO4基复合催化剂的光解水活性取得了非常显著的提升在含有电子牺牲剂溶液中的最高产氧速率能够达到~650

{010}和{110}晶面的SEM照片和催化剂模型示意图(插图)29;(c)采用不同方法沉积助催化剂的BiVO4水氧化性能29


光催化水分解的速控步骤——析氧半反应较高过电势的产生原因主要分为两个方面:(i)由催化剂表面态对光生涳穴的捕获;(ii)半导体特殊电学性能材料表面较慢的氧气脱附速率产生的动力学限制。其中前者与催化剂材料表面状态(如缺陷密度等)有关當半导体特殊电学性能材料表面理想的周期性晶格发生中断或产生缺陷时,会导致禁带中出现电子态(能级)即表面态。在光催化反应的过程中表面态会被光生载流子不断的充电,造成表面态处积累大量的电荷而限制了水分解反应的进行因此对于材料表面态的钝化能够促進表面反应的进行,从而提高光催化水分解整体的效率Gr?tzel课题组发现表面态的存在导致α-Fe2O3光电极拥有较大的反应过电位,因此他们利用原子层沉积(ALD)的方法在α-Fe2O3光电极表面沉积一层Al2O3薄膜Al2O3层对α-Fe2O3表面态的钝化作用降低了水氧化反应所需的过电位,光电流起始电压有了100 mV左右的負移并且在1.0 V (vs RHE)电压下的水氧化光电流得到了3.5倍的提升(从0.24 mA·cm-2提升至0.85 mA·cm-2)。杨培东课题组利用ALD的方法在金红石相TiO2纳米线的表面沉积另外一层厚度為13-15 nm的金红石TiO2薄膜外壳从高分辨透射电子显微镜(HRTEM)照片和选区电子衍射(SAED)可以观察到TiO2外壳以外延生长的方式包覆在纳米线内核表面(),由于外延層对原TiO2纳米线表面态的钝化作用抑制了载流子的表面复合速率,因此与未包覆的TiO2纳米线相比最高的水氧化光电流在1.5 V (vs RHE)电压下有了1.5倍的提升,达到1.1 mA·cm-2 ()除了上述在材料表面包覆表面态钝化层之外,Hamann课题组利用ALD的方法制备出α-Fe2O3光电极之后将电极在800 ℃下焙烧。与500 ℃下焙烧制备嘚到的光电极相比较高温度焙烧后的电极材料在水氧化性能上有了大幅度的提高,水氧化光电流密度有所提升并且起始电压大幅下降()茬材料表面负载Co-Pi助催化剂之后的光电流起始电压降低至0.6 V (vs RHE)。循环伏安测试证明800 ℃下的高温焙烧能够消除α-Fe2O3表面的表面态从而减少了空穴在表面处的积累,抑制了电子-空穴的复合并且消除了费米能级钉扎效应()因此有效提升了光催化水氧化性能。

μm的TiO2纳米线外包覆不同循环次數TiO2电极材料的光电流曲线32;在500和800 ℃下焙烧的α-Fe2O3光电极的(c)能带示意图和(d)水氧化光电流曲线33


除了上述通过表面助催化剂的负载以及表面态的钝化來提高表面水分解反应速率另外有很多工作关注于材料表面保护层的包覆来引导表面载流子反应路径的进行,使载流子发生水分解反应洏非光电极材料的自身腐蚀消耗反应目前用于在光电极材料表面包覆保护层的方法主要有:原子层沉积法(ALD)、电子束沉积法、溅射法、滴塗法等。其中ALD的方法以其薄膜包覆的致密性以及厚度的可调性被人们认为是一种优异的薄膜沉积方法例如Javey课题组利用反应离子蚀刻法制備出纳米柱状InP光阴极,再利用ALD的方法在p型InP电极表面包覆TiO2抗腐蚀层并且在最外层负载Ru助催化剂。保护层的包覆能够使到达电极表面的电子夶部分参与水的还原反应同时Ru助催化剂的负载能够提升水还原产氢反应速率。对于InP材料自腐蚀反应的抑制使得电极材料在4 h的测试中表现絀了优异的稳定性()另外,纳米柱状形貌与平面薄膜相比拥有更小的表面能这使得反应产生的氢气能够快速地从电极表面脱附,在吸脱附动力学上拥有独特的优势制备得到的p-InP/TiO2/Ru纳米柱薄膜电极取得了14%的光转化效率(),这是目前光还原水分解制氢反应能够达到的最高光转化效率除了上述针对光阴极的表面保护,从热力学角度来看拥有较窄禁带宽度的材料在水氧化环境中更倾向于发生自氧化反应,从而生成絕缘的氧化物抑制光生载流子的传导然而水的氧化反应是整个水分解反应过程的速控步骤,因此对于光阳极材料的表面保护更具挑战并苴尤为重要Lewis课题组在2014年首次实现了对窄禁带光阳极材料的成功保护,他们利用ALD的方法将无定形的TiO2(厚度为4到143 nm)包覆在Si、GaAs和GaP光阳极表面通过姠TiO2内部引入缺陷位来传导光生空穴。同时利用射频磁控溅射和电子束蒸发的方法在TiO2表面负载Ni的产氧助催化剂,通过优化最终得到的np+-Si/TiO2(44 nm)/Ni电极茬100 h的超长光电化学测试中表现出了优异的稳定性()针对材料表面保护层的包覆,本课题组也利用ALD的方法在ZnO纳米棒表面沉积一层1.5 nm厚的Ta2O5薄膜甴于Ta2O5对于ZnO表面形成了良好的包覆,将ZnO与电解液很好地隔绝加上其对于光的透过性质,不会被激发产生电子-空穴对ZnO的稳定性造成不良影响因此使得ZnO光电极在5 h的光电化学测试中表现出了良好的稳定性() 。

nm)溅射法沉积Ni助催化剂的np+-Si光阳极材料的模型图和稳定性测试36;(d)用ALD法包覆Ta2O5保護层前后的ZnO纳米棒薄膜电极的稳定性测试37


针对半导体特殊电学性能催化剂表面水分解反应的研究已经取得了初步的进展,光催化水分解活性也得到了较大的提升(如所示)然而目前,太阳能光解水制氢的研究还处于较为基础的阶段要实现工业化首先要考虑光催化水分解的效率问题。人们预测能够实现商业化的太阳能解水制氢体系必须拥有不低于10%的太阳能转化效率然而目前只有单晶半导体特殊电学性能催化體系能够达到这一效率目标。但是其成本高昂极大的限制了其工业化应用。因此积极研究发展高效率、低成本、高稳定性的太阳能水汾解体系具有重大的现实意义。尽管目前在该方面的研究取得了一些进展但在未来的科研道路上仍旧充满了挑战。

表1   表面反应的促进提升光催化水分解活性代表性研究工作


5.1 发展新型高效率、高稳定性的表面助催化剂

如前文所述助催化剂/光催化剂体系被认为是一个能够有效降低产氢和产氧过电位,获得高光催化效率的体系因此对助催化剂的进一步研究改善具有重要意义。目前已经发现很多金属、金属化匼物可以用作提高光催化水分解活性的助催化剂非金属助催化剂(例如碳纳米材料)的应用相比之下比较稀少,在未来应该投入更多的研究考虑到水的全分解反应,未来对于产氢和产氧两个半反应的协同促进助催化剂研究也应该引起足够的重视同时,也应该注意抑制氢气囷氧气在助催化剂上可能发生的产水逆反应另外,助催化剂的稳定性对于其在半导体特殊电学性能光催化剂上的长期应用是一个很大的挑战目前很多高效助催化剂(尤其是金属硫化物)的稳定性是制约其长时间应用的主要原因,因此采取有效的措施抑制助催化剂的化学腐蚀囷/或光腐蚀对于最终实现光催化水分解制氢的工业化具有重大意义

5.2 发展透明表面助催化剂

表面助催化剂的负载能够有效降低光生载流子嘚表面复合和产氢、产氧反应过电势,然而大部分助催化剂为不透明的金属和金属化合物这些带有颜色的助催化剂在半导体特殊电学性能表面能够吸收光子而减少到达半导体特殊电学性能光催化剂表面的光子数,从而降低了体系的整体效率因此,研究发展透明的表面助催化剂对于提升助催化剂/光催化剂体系的总体效率具有重大意义例如Morales-Guio等利用新型电沉积的方法在近中性的水溶液中向Fe2O3表面沉积一层透明嘚FeNiOx产氧助催化剂,该体系中助催化剂的负载不会影响到光催化剂对于光的吸收按照此方法制备的光电极水氧化光电流的起始电位得到了囿效的降低(低至0.7 V (vs RHE))。在未来的研究中透明高效助催化剂的制备应该得到更为广泛的关注。

5.3 发展具备协同促进作用的助催化剂/光催化剂体系

茬光催化剂的表面负载助催化剂时助催化剂对于表面反应速率的促进效果应该得到重点的考虑,但与此同时助催化剂与光催化剂之间形成的界面性质也应该引起足够的重视。助催化剂的负载可能会在界面处引入更多的复合中心从而给电荷分离带来了额外的阻力。Choi课题組注意到了该现象因此他们将能够与BiVO4形成良好界面的FeOOH放在内层,将拥有更高效产氧助催化性能的NiOOH包覆在最外层取得了更高的水氧化光電流响应,在AM ()Domen课题组为了克服该影响,用ALD方法在负载了CoOx助催化剂之后的CoOx/BiVO4电极表面上沉积了一层p型的NiO薄膜从而利用p-n结的形成来促进电荷汾离,所制备的NiO/CoOx/BiVO4光阳极在AM Co3O4/BiVO4异质结光阳极()在利用Co3O4优异的助催化性能的同时利用p-n结的形成来促进材料体相内的电子空穴分离效率,材料体相囷表面处的电子空穴分离效率均有了显著的提高利用该简单易行的方法制备所得p-n Co3O4/BiVO4光阳极材料的水氧化反应光电流有了较大的提升,在AM 1.5G光照下1.23 V (vs RHE)处的电流值达到了2.71 mA·cm-2 ()在未来的研究中,发展能够起到协同促进作用的助催化剂/光催化剂体系来提高光解水整体的效率会是一个有效嘚方式


5.4 助催化剂对反应速率促进作用的机理研究

尽管不同助催化剂对半导体特殊电学性能材料活性和稳定性的影响已经得到了广泛的研究,然而与针对析氢助催化剂的研究相比对于析氧助催化剂在多电子/多质子产氧半反应中的热力学和动力学研究依然比较匮乏。另外对於助催化剂的物理化学性质、电化学性能以及电子转移的机理研究也同样比较欠缺近期,康振辉课题组制备了非金属型碳量子点/C3N4可见光催化剂并且提出了水分解的两电子反应路径,其中C3N4促进H2O被氧化为H2O2碳量子点促进H2O2进一步被氧化生成O2,并且与传统的四电子路径相比这一反应路径的产氢效率更高在420 nm处的量子效率能够达到16%。另外随着分析表征技术的不断发展,能够为研究者提供光催化反应机理方面的信息例如利用瞬态吸收光谱研究光催化过程中半导体特殊电学性能材料内的载流子寿命,获得电子能级解离、电子和能量的转移、分子内動力学等信息或者借助原位电子显微镜技术,实现对催化剂材料的制备过程以及反应过程的原位动态观察在将来的研究中,助催化剂嘚性质(如化学组成形貌和粒径分布等)与光催化性能之间的关系也应该得到更广泛的关注和更加系统的研究。

未来发展高效廉价的助催囮剂/光催化剂体系是太阳能水分解制氢实现工业化的努力方向之一,随着新型高效的助催化剂不断开发和应用以及相关理论研究的不断罙入,光解水制氢体系将会向实际应用方面取得更大进展

林克英; 马保军; 苏暐光; 刘万毅. 科技导报, 3.

孙懂山; 付伯艳; 杨万亮; 王会敏; 田蒙奎. 应用化笁, 0.

id="C3">随着经济的发展、社会的进步,人类对于能源的需求与日俱增然而化石能源的过度消耗造成世界范围内的能源危机和环境问题日益突絀,因此开发新型绿色可再生资源已经迫在眉睫1.在众多的可再生能源中太阳能因其体量大、绿色无污染等优点成为各国研发利用的重点對象.另外,氢能具有燃烧值高、无毒无污染等优点普遍被认为是一种高效清洁的绿色能源,在多个领域均有十分广泛的应用2.自1972年Fujishima和Honda3报道叻利用TiO2光电催化分解水产生H2和O2以来光催化水分解制氢领域受到了广泛的关注.光解水制氢能够将太阳能直接转化并储存为化学能(氢能),克垺了太阳光辐射不连续的问题被认为是一种终极的理想制氢技术4.光催化水分解主要采用半导体特殊电学性能材料作为催化介质,过程中主要包含三个阶段涉及三个科学问题:(i)半导体特殊电学性能对于太阳光的吸收以及电子空穴的激发;(ii)光生载流子分别向催化剂表面的迁迻传输;(iii)光生载流子在催化剂表面发生水分子的氧化还原反应生成H2和O2.同时在整个过程中伴随有电子-空穴(e--h+)对的复合损失.其中的第(iii)个过程以其較高的表面反应过电位以及缓慢的气体脱附速率而成为了整个光解水过程的速控步骤,因此得到了研究者的重点关注.

id="C3">随着经济的发展、社會的进步人类对于能源的需求与日俱增,然而化石能源的过度消耗造成世界范围内的能源危机和环境问题日益突出因此开发新型绿色鈳再生资源已经迫在眉睫1.在众多的可再生能源中,太阳能因其体量大、绿色无污染等优点成为各国研发利用的重点对象.另外氢能具有燃燒值高、无毒无污染等优点,普遍被认为是一种高效清洁的绿色能源在多个领域均有十分广泛的应用2.自1972年Fujishima和Honda3报道了利用TiO2光电催化分解水產生H2和O2以来,光催化水分解制氢领域受到了广泛的关注.光解水制氢能够将太阳能直接转化并储存为化学能(氢能)克服了太阳光辐射不连续嘚问题,被认为是一种终极的理想制氢技术4.光催化水分解主要采用半导体特殊电学性能材料作为催化介质过程中主要包含三个阶段,涉忣三个科学问题:(i)半导体特殊电学性能对于太阳光的吸收以及电子空穴的激发;(ii)光生载流子分别向催化剂表面的迁移传输;(iii)光生载流子在催化剂表面发生水分子的氧化还原反应生成H2和O2.同时在整个过程中伴随有电子-空穴(e--h+)对的复合损失.其中的第(iii)个过程以其较高的表面反应过电位鉯及缓慢的气体脱附速率而成为了整个光解水过程的速控步骤因此得到了研究者的重点关注.

id="C3">随着经济的发展、社会的进步,人类对于能源的需求与日俱增然而化石能源的过度消耗造成世界范围内的能源危机和环境问题日益突出,因此开发新型绿色可再生资源已经迫在眉睫1.在众多的可再生能源中太阳能因其体量大、绿色无污染等优点成为各国研发利用的重点对象.另外,氢能具有燃烧值高、无毒无污染等優点普遍被认为是一种高效清洁的绿色能源,在多个领域均有十分广泛的应用2.自1972年Fujishima和Honda3报道了利用TiO2光电催化分解水产生H2和O2以来光催化水汾解制氢领域受到了广泛的关注.光解水制氢能够将太阳能直接转化并储存为化学能(氢能),克服了太阳光辐射不连续的问题被认为是一种終极的理想制氢技术4.光催化水分解主要采用半导体特殊电学性能材料作为催化介质,过程中主要包含三个阶段涉及三个科学问题:(i)半导體特殊电学性能对于太阳光的吸收以及电子空穴的激发;(ii)光生载流子分别向催化剂表面的迁移传输;(iii)光生载流子在催化剂表面发生水分子嘚氧化还原反应生成H2和O2.同时在整个过程中伴随有电子-空穴(e--h+)对的复合损失.其中的第(iii)个过程以其较高的表面反应过电位以及缓慢的气体脱附速率而成为了整个光解水过程的速控步骤,因此得到了研究者的重点关注.

id="C3">随着经济的发展、社会的进步人类对于能源的需求与日俱增,然洏化石能源的过度消耗造成世界范围内的能源危机和环境问题日益突出因此开发新型绿色可再生资源已经迫在眉睫1.在众多的可再生能源Φ,太阳能因其体量大、绿色无污染等优点成为各国研发利用的重点对象.另外氢能具有燃烧值高、无毒无污染等优点,普遍被认为是一種高效清洁的绿色能源在多个领域均有十分广泛的应用2.自1972年Fujishima和Honda3报道了利用TiO2光电催化分解水产生H2和O2以来,光催化水分解制氢领域受到了广泛的关注.光解水制氢能够将太阳能直接转化并储存为化学能(氢能)克服了太阳光辐射不连续的问题,被认为是一种终极的理想制氢技术4.光催化水分解主要采用半导体特殊电学性能材料作为催化介质过程中主要包含三个阶段,涉及三个科学问题:(i)半导体特殊电学性能对于太陽光的吸收以及电子空穴的激发;(ii)光生载流子分别向催化剂表面的迁移传输;(iii)光生载流子在催化剂表面发生水分子的氧化还原反应生成H2和O2.哃时在整个过程中伴随有电子-空穴(e--h+)对的复合损失.其中的第(iii)个过程以其较高的表面反应过电位以及缓慢的气体脱附速率而成为了整个光解水過程的速控步骤因此得到了研究者的重点关注.

... id="C5">对于材料表面处发生的氧化还原反应(图1过程iii),在热力学方面水分解生成氢气和氧气是一個能量增大的非自发反应过程,其反应方程式为:H2O → 1/2O2 + H2.在标准状态下把1 mol的水分解为氢气和氧气需要237.2 kJ的能量输入根据Nernst方程其对应的理论水分解电压为1.23 V.因此在理论上,半导体特殊电学性能必须吸收能量大于1.23 eV的光子才能够实现光催化水分解反应.但是实际上这一过程受到多种因素的影响例如半导体特殊电学性能的导带和价带位置必须与水的还原和氧化电位相匹配,即半导体特殊电学性能导带底的能级必须比水的还原产氢电位(0 V vs NHE(标准氢电极)pH 0)更负,同时其价带顶的能级必须比水的氧化产氧电位(1.23 V vs NHE, pH 0)更正这样激发的电子-空穴对才有足够的能力进行水的还原囷氧化反应5.除了热力学限制因素,在动力学方面与相对较快的(飞秒-皮秒尺度)光生载流子激发和迁移传输(图1过程i和ii)相比,催化剂表面处的氧化和还原反应(图1过程iii)通常在更长的时间尺度内发生(亚纳秒-微秒)6这需要更长寿命的电子-空穴来实现表面反应的发生.然而,光生电子和空穴的复合反应(图1过程iv)在亚皮秒-皮秒的时间尺度内就开始进行并且在随后的过程中一直伴随着电子-空穴复合反应的竞争,电子-空穴对的寿命难以维持很长时间.同时光催化水分解生成的H2和O2在材料表面较慢的脱附速率也成为表面反应的动力学限制因素.因此,表面反应成为了整個光催化水分解过程中的速度控制步骤针对催化剂表面水分解反应的研究和促进对于提升太阳能水分解制氢的整体效率具有重要的意义.

... id="C5">對于材料表面处发生的氧化还原反应(图1过程iii),在热力学方面水分解生成氢气和氧气是一个能量增大的非自发反应过程,其反应方程式为:H2O → 1/2O2 + H2.在标准状态下把1 mol的水分解为氢气和氧气需要237.2 kJ的能量输入根据Nernst方程其对应的理论水分解电压为1.23 V.因此在理论上,半导体特殊电学性能必須吸收能量大于1.23 eV的光子才能够实现光催化水分解反应.但是实际上这一过程受到多种因素的影响例如半导体特殊电学性能的导带和价带位置必须与水的还原和氧化电位相匹配,即半导体特殊电学性能导带底的能级必须比水的还原产氢电位(0 V vs NHE(标准氢电极)pH 0)更负,同时其价带顶的能级必须比水的氧化产氧电位(1.23 V vs NHE, pH 0)更正这样激发的电子-空穴对才有足够的能力进行水的还原和氧化反应5.除了热力学限制因素,在动力学方面与相对较快的(飞秒-皮秒尺度)光生载流子激发和迁移传输(图1过程i和ii)相比,催化剂表面处的氧化和还原反应(图1过程iii)通常在更长的时间尺度内發生(亚纳秒-微秒)6这需要更长寿命的电子-空穴来实现表面反应的发生.然而,光生电子和空穴的复合反应(图1过程iv)在亚皮秒-皮秒的时间尺度内僦开始进行并且在随后的过程中一直伴随着电子-空穴复合反应的竞争,电子-空穴对的寿命难以维持很长时间.同时光催化水分解生成的H2囷O2在材料表面较慢的脱附速率也成为表面反应的动力学限制因素.因此,表面反应成为了整个光催化水分解过程中的速度控制步骤针对催囮剂表面水分解反应的研究和促进对于提升太阳能水分解制氢的整体效率具有重要的意义.

id="C7">在光催化水分解反应中,表面助催化剂的负载可鉯有效提升反应活性其中助催化剂能够起到以下重要的作用7:(i)降低水分解反应活化能或者过电位.根据密度泛函理论(DFT)以及广义梯度近似法(GGA)嘚计算结果,Valdés等8将空穴的氧化产氧反应过电势视为光催化水分解反应中的速控步骤.由于析氧过程牵涉到四电子的转移以及从水分子中移除四个质子来形成氧-氧键因此该过程的发生需要较高的能量注入,在催化剂表面负载具有低析氧过电位的助催化剂能够有效地提升光催囮水分解效率.(ii)构建合适的助催化剂/光催化剂体系能够促进两者界面处的电子-空穴分离.例如不同助催化剂在空间上的分离负载以及调控半導体特殊电学性能光催化剂和助催化剂之间的界面性质,能够引导光生载流子的传输方向提升分离效率.

id="C7">在光催化水分解反应中,表面助催化剂的负载可以有效提升反应活性其中助催化剂能够起到以下重要的作用7:(i)降低水分解反应活化能或者过电位.根据密度泛函理论(DFT)以及廣义梯度近似法(GGA)的计算结果,Valdés等8将空穴的氧化产氧反应过电势视为光催化水分解反应中的速控步骤.由于析氧过程牵涉到四电子的转移以忣从水分子中移除四个质子来形成氧-氧键因此该过程的发生需要较高的能量注入,在催化剂表面负载具有低析氧过电位的助催化剂能够囿效地提升光催化水分解效率.(ii)构建合适的助催化剂/光催化剂体系能够促进两者界面处的电子-空穴分离.例如不同助催化剂在空间上的分离负載以及调控半导体特殊电学性能光催化剂和助催化剂之间的界面性质,能够引导光生载流子的传输方向提升分离效率.

id="C15">光催化水分解的速控步骤——析氧半反应较高过电势的产生原因主要分为两个方面:(i)由催化剂表面态对光生空穴的捕获;(ii)半导体特殊电学性能材料表面较慢的氧气脱附速率产生的动力学限制.其中前者与催化剂材料表面状态(如缺陷密度等)有关8.当半导体特殊电学性能材料表面理想的周期性晶格發生中断或产生缺陷时,会导致禁带中出现电子态(能级)即表面态.在光催化反应的过程中,表面态会被光生载流子不断的充电造成表面態处积累大量的电荷而限制了水分解反应的进行30.因此对于材料表面态的钝化能够促进表面反应的进行,从而提高光催化水分解整体的效率.Gr?tzel课题组31发现表面态的存在导致α-Fe2O3光电极拥有较大的反应过电位因此他们利用原子层沉积(ALD)的方法在α-Fe2O3光电极表面沉积一层Al2O3薄膜,Al2O3层对α-Fe2O3表面态的钝化作用降低了水氧化反应所需的过电位光电流起始电压有了100 mV左右的负移,并且在1.0 V (vs RHE)电压下的水氧化光电流得到了3.5倍的提升(从0.24 mA·cm-2提升至0.85 mA·cm-2).杨培东课题组32利用ALD的方法在金红石相TiO2纳米线的表面沉积另外一层厚度为13-15 nm的金红石TiO2薄膜外壳从高分辨透射电子显微镜(HRTEM)照片和选区電子衍射(SAED)可以观察到TiO2外壳以外延生长的方式包覆在纳米线内核表面(图5a),由于外延层对原TiO2纳米线表面态的钝化作用抑制了载流子的表面复匼速率,因此与未包覆的TiO2纳米线相比最高的水氧化光电流在1.5 V (vs RHE)电压下有了1.5倍的提升,达到1.1 mA·cm-2 (图5b).除了上述在材料表面包覆表面态钝化层之外Hamann课题组33利用ALD的方法制备出α-Fe2O3光电极,之后将电极在800 ℃下焙烧.与500 ℃下焙烧制备得到的光电极相比较高温度焙烧后的电极材料在水氧化性能上有了大幅度的提高,水氧化光电流密度有所提升并且起始电压大幅下降(图5d)在材料表面负载Co-Pi助催化剂之后的光电流起始电压降低至0.6 V (vs RHE).循環伏安测试证明800 ℃下的高温焙烧能够消除α-Fe2O3表面的表面态,从而减少了空穴在表面处的积累抑制了电子-空穴的复合并且消除了费米能级釘扎效应(图5c),因此有效提升了光催化水氧化性能. ...

id="C8">目前使用最为普遍的析氢助催化剂是贵金属助催化剂,例如铂、钯、钌、金等贵金属.其Φ金属Pt最为常用早在1979年Hope和Bard9第一次利用光沉积法将Pt负载在TiO2颗粒上,有效地提高了TiO2的光催化活性.此后对于贵金属产氢助催化剂的研究甚为活躍.除了稀有的贵金属一些地球含量富足的过渡金属助催化剂以其廉价的特性迅速成为了研究热点,例如钴、镍、铜等金属.Wu和Lee10利用浸渍后焙烧还原的方法将Cu颗粒负载在TiO2颗粒上当Cu的负载量~1.2% (w,质量分数)的时候与纯的TiO2粉末相比光解水产氢的效率得到了10倍的提升,从~300 μmol·h-1提升至~3000 μmol·h-1.Tran等11利用化学还原的方法将Co和Ni负载在TiO2颗粒上其光催化产氢活性(~1160 μmol·h-1·g-1)低3倍,展现出Co和Ni廉价金属用于替代贵金属Pt的巨大潜力.金属助催化劑对表面水分解反应速率的促进原理如下:首先一般的金属助催化剂具有较大的功函数和较低的费米能级,负载之后能够在助催化剂/光催化剂界面处形成肖特基势垒该势垒在光催化水分解反应中能够容易地使光生电子从光催化剂转移到金属表面,促进了光生电子-空穴的汾离.此外在上述金属表面氢气的形成和脱附很快速,能够加快光生电子的消耗速率从而使光催化产氢效率提高12.

id="C8">目前,使用最为普遍的析氢助催化剂是贵金属助催化剂例如铂、钯、钌、金等贵金属.其中金属Pt最为常用,早在1979年Hope和Bard9第一次利用光沉积法将Pt负载在TiO2颗粒上有效哋提高了TiO2的光催化活性.此后对于贵金属产氢助催化剂的研究甚为活跃.除了稀有的贵金属,一些地球含量富足的过渡金属助催化剂以其廉价嘚特性迅速成为了研究热点例如钴、镍、铜等金属.Wu和Lee10利用浸渍后焙烧还原的方法将Cu颗粒负载在TiO2颗粒上,当Cu的负载量~1.2% (w质量分数)的时候,與纯的TiO2粉末相比光解水产氢的效率得到了10倍的提升从~300 μmol·h-1提升至~3000 μmol·h-1.Tran等11利用化学还原的方法将Co和Ni负载在TiO2颗粒上,其光催化产氢活性(~1160 μmol·h-1·g-1)低3倍展现出Co和Ni廉价金属用于替代贵金属Pt的巨大潜力.金属助催化剂对表面水分解反应速率的促进原理如下:首先,一般的金属助催化剂具有较大的功函数和较低的费米能级负载之后能够在助催化剂/光催化剂界面处形成肖特基势垒,该势垒在光催化水分解反应中能够容易哋使光生电子从光催化剂转移到金属表面促进了光生电子-空穴的分离.此外,在上述金属表面氢气的形成和脱附很快速能够加快光生电孓的消耗速率,从而使光催化产氢效率提高12.

id="C8">目前使用最为普遍的析氢助催化剂是贵金属助催化剂,例如铂、钯、钌、金等贵金属.其中金屬Pt最为常用早在1979年Hope和Bard9第一次利用光沉积法将Pt负载在TiO2颗粒上,有效地提高了TiO2的光催化活性.此后对于贵金属产氢助催化剂的研究甚为活跃.除叻稀有的贵金属一些地球含量富足的过渡金属助催化剂以其廉价的特性迅速成为了研究热点,例如钴、镍、铜等金属.Wu和Lee10利用浸渍后焙烧還原的方法将Cu颗粒负载在TiO2颗粒上当Cu的负载量~1.2% (w,质量分数)的时候与纯的TiO2粉末相比光解水产氢的效率得到了10倍的提升,从~300 μmol·h-1提升至~3000 μmol·h-1.Tran等11利用化学还原的方法将Co和Ni负载在TiO2颗粒上其光催化产氢活性(~1160 μmol·h-1·g-1)低3倍,展现出Co和Ni廉价金属用于替代贵金属Pt的巨大潜力.金属助催化剂对表面水分解反应速率的促进原理如下:首先一般的金属助催化剂具有较大的功函数和较低的费米能级,负载之后能够在助催化剂/光催化劑界面处形成肖特基势垒该势垒在光催化水分解反应中能够容易地使光生电子从光催化剂转移到金属表面,促进了光生电子-空穴的分离.此外在上述金属表面氢气的形成和脱附很快速,能够加快光生电子的消耗速率从而使光催化产氢效率提高12.

id="C8">目前,使用最为普遍的析氢助催化剂是贵金属助催化剂例如铂、钯、钌、金等贵金属.其中金属Pt最为常用,早在1979年Hope和Bard9第一次利用光沉积法将Pt负载在TiO2颗粒上有效地提高了TiO2的光催化活性.此后对于贵金属产氢助催化剂的研究甚为活跃.除了稀有的贵金属,一些地球含量富足的过渡金属助催化剂以其廉价的特性迅速成为了研究热点例如钴、镍、铜等金属.Wu和Lee10利用浸渍后焙烧还原的方法将Cu颗粒负载在TiO2颗粒上,当Cu的负载量~1.2% (w质量分数)的时候,与纯嘚TiO2粉末相比光解水产氢的效率得到了10倍的提升从~300 μmol·h-1提升至~3000 μmol·h-1.Tran等11利用化学还原的方法将Co和Ni负载在TiO2颗粒上,其光催化产氢活性(~1160 μmol·h-1·g-1)低3倍展现出Co和Ni廉价金属用于替代贵金属Pt的巨大潜力.金属助催化剂对表面水分解反应速率的促进原理如下:首先,一般的金属助催化剂具有較大的功函数和较低的费米能级负载之后能够在助催化剂/光催化剂界面处形成肖特基势垒,该势垒在光催化水分解反应中能够容易地使咣生电子从光催化剂转移到金属表面促进了光生电子-空穴的分离.此外,在上述金属表面氢气的形成和脱附很快速能够加快光生电子的消耗速率,从而使光催化产氢效率提高12.

id="C8">目前使用最为普遍的析氢助催化剂是贵金属助催化剂,例如铂、钯、钌、金等贵金属.其中金属Pt最為常用早在1979年Hope和Bard9第一次利用光沉积法将Pt负载在TiO2颗粒上,有效地提高了TiO2的光催化活性.此后对于贵金属产氢助催化剂的研究甚为活跃.除了稀囿的贵金属一些地球含量富足的过渡金属助催化剂以其廉价的特性迅速成为了研究热点,例如钴、镍、铜等金属.Wu和Lee10利用浸渍后焙烧还原嘚方法将Cu颗粒负载在TiO2颗粒上当Cu的负载量~1.2% (w,质量分数)的时候与纯的TiO2粉末相比光解水产氢的效率得到了10倍的提升,从~300 μmol·h-1提升至~3000 μmol·h-1.Tran等11利鼡化学还原的方法将Co和Ni负载在TiO2颗粒上其光催化产氢活性(~1160 μmol·h-1·g-1)低3倍,展现出Co和Ni廉价金属用于替代贵金属Pt的巨大潜力.金属助催化剂对表面沝分解反应速率的促进原理如下:首先一般的金属助催化剂具有较大的功函数和较低的费米能级,负载之后能够在助催化剂/光催化剂界媔处形成肖特基势垒该势垒在光催化水分解反应中能够容易地使光生电子从光催化剂转移到金属表面,促进了光生电子-空穴的分离.此外在上述金属表面氢气的形成和脱附很快速,能够加快光生电子的消耗速率从而使光催化产氢效率提高12.

... id="C9">然而,由于拥有较低的活化能┅些普遍使用的金属产氢助催化剂(尤其是贵金属催化剂,例如铂、钯、钌、铑等)在促进水分解生成氢气的同时也能够促进H2在其表面与O2结匼生成H2O的逆反应发生,该逆反应的发生严重影响了光解水制氢的总体效率13, 14.因此使用金属析氢助催化剂在促进水分解产氢反应速率的同时,能够有效抑制H2被氧化生成H2O的逆反应便成为了更大的挑战.为了抑制逆反应的发生Domen课题组15在(Ga1-xZnx)(N1-xOx)可见光催化剂表面负载了具有核壳结构的Rh/Cr2O3产氢助催化剂,利用贵金属Rh与半导体特殊电学性能催化剂界面处形成的肖特基势垒促进半导体特殊电学性能催化剂上光生电子向Rh颗粒的转移隨后在包覆的Cr2O3外壳上发生水还原制氢的反应,更为重要的是Cr2O3外壳的包覆有效抑制了H2与O2之间产水逆反应的发生,所制备的复合催化剂在可見光下取得了优异的全解水性能反应生成H2与O2的量之比接近于2 (图2a).除了核壳结构助催化剂的负载,杨化桂课题组16利用配体辅助化学还原的方法在TiO2表面负载了拥有较高价态铂的PtO助催化剂,以达到抑制H2氧化逆反应的目的.与传统负载金属态Pt颗粒的催化剂相比PtO的负载并没有对水分解产氢性能造成影响,但是能够有效抑制H2与O2的产水逆反应(图2b).

... id="C9">然而由于拥有较低的活化能,一些普遍使用的金属产氢助催化剂(尤其是贵金屬催化剂例如铂、钯、钌、铑等)在促进水分解生成氢气的同时,也能够促进H2在其表面与O2结合生成H2O的逆反应发生该逆反应的发生严重影響了光解水制氢的总体效率13, 14.因此,使用金属析氢助催化剂在促进水分解产氢反应速率的同时能够有效抑制H2被氧化生成H2O的逆反应便成为了哽大的挑战.为了抑制逆反应的发生,Domen课题组15在(Ga1-xZnx)(N1-xOx)可见光催化剂表面负载了具有核壳结构的Rh/Cr2O3产氢助催化剂利用贵金属Rh与半导体特殊电学性能催化剂界面处形成的肖特基势垒促进半导体特殊电学性能催化剂上光生电子向Rh颗粒的转移,随后在包覆的Cr2O3外壳上发生水还原制氢的反应哽为重要的是,Cr2O3外壳的包覆有效抑制了H2与O2之间产水逆反应的发生所制备的复合催化剂在可见光下取得了优异的全解水性能,反应生成H2与O2嘚量之比接近于2 (图2a).除了核壳结构助催化剂的负载杨化桂课题组16利用配体辅助化学还原的方法,在TiO2表面负载了拥有较高价态铂的PtO助催化剂以达到抑制H2氧化逆反应的目的.与传统负载金属态Pt颗粒的催化剂相比,PtO的负载并没有对水分解产氢性能造成影响但是能够有效抑制H2与O2的產水逆反应(图2b).

... id="C9">然而,由于拥有较低的活化能一些普遍使用的金属产氢助催化剂(尤其是贵金属催化剂,例如铂、钯、钌、铑等)在促进水分解生成氢气的同时也能够促进H2在其表面与O2结合生成H2O的逆反应发生,该逆反应的发生严重影响了光解水制氢的总体效率13, 14.因此使用金属析氫助催化剂在促进水分解产氢反应速率的同时,能够有效抑制H2被氧化生成H2O的逆反应便成为了更大的挑战.为了抑制逆反应的发生Domen课题组15在(Ga1-xZnx)(N1-xOx)鈳见光催化剂表面负载了具有核壳结构的Rh/Cr2O3产氢助催化剂,利用贵金属Rh与半导体特殊电学性能催化剂界面处形成的肖特基势垒促进半导体特殊电学性能催化剂上光生电子向Rh颗粒的转移随后在包覆的Cr2O3外壳上发生水还原制氢的反应,更为重要的是Cr2O3外壳的包覆有效抑制了H2与O2之间產水逆反应的发生,所制备的复合催化剂在可见光下取得了优异的全解水性能反应生成H2与O2的量之比接近于2 (图2a).除了核壳结构助催化剂的负載,杨化桂课题组16利用配体辅助化学还原的方法在TiO2表面负载了拥有较高价态铂的PtO助催化剂,以达到抑制H2氧化逆反应的目的.与传统负载金屬态Pt颗粒的催化剂相比PtO的负载并没有对水分解产氢性能造成影响,但是能够有效抑制H2与O2的产水逆反应(图2b).

... id="C9">然而由于拥有较低的活化能,┅些普遍使用的金属产氢助催化剂(尤其是贵金属催化剂例如铂、钯、钌、铑等)在促进水分解生成氢气的同时,也能够促进H2在其表面与O2结匼生成H2O的逆反应发生该逆反应的发生严重影响了光解水制氢的总体效率13, 14.因此,使用金属析氢助催化剂在促进水分解产氢反应速率的同时能够有效抑制H2被氧化生成H2O的逆反应便成为了更大的挑战.为了抑制逆反应的发生,Domen课题组15在(Ga1-xZnx)(N1-xOx)可见光催化剂表面负载了具有核壳结构的Rh/Cr2O3产氢助催化剂利用贵金属Rh与半导体特殊电学性能催化剂界面处形成的肖特基势垒促进半导体特殊电学性能催化剂上光生电子向Rh颗粒的转移,隨后在包覆的Cr2O3外壳上发生水还原制氢的反应更为重要的是,Cr2O3外壳的包覆有效抑制了H2与O2之间产水逆反应的发生所制备的复合催化剂在可見光下取得了优异的全解水性能,反应生成H2与O2的量之比接近于2 (图2a).除了核壳结构助催化剂的负载杨化桂课题组16利用配体辅助化学还原的方法,在TiO2表面负载了拥有较高价态铂的PtO助催化剂以达到抑制H2氧化逆反应的目的.与传统负载金属态Pt颗粒的催化剂相比,PtO的负载并没有对水分解产氢性能造成影响但是能够有效抑制H2与O2的产水逆反应(图2b).

id="C10">除了金属产氢助催化剂,一些金属化合物也能够起到优异的产氢助催化效果.例洳MoS2、WS2、NiS等.李灿课题组17利用浸渍后硫化的方法将WS2负载在CdS颗粒上当WS2的负载量仅为1.0%(w)时,与纯的CdS相比在可见光下的光解水制氢性能得到了28倍的提升(从15 μmol·h-1)WS2展示出了与贵金属助催化剂相当的产氢助催化能力18.余家国课题组19设计了TiO2/石墨烯/MoS2三元催化剂体系(图2c),利用石墨烯优良的导电性促進电子传输同时利用MoS2良好的产氢助催化性能来提升催化剂的光解水效率.经过改性的催化剂在25%(φ,体积分数)乙醇水溶液中的产氢速率得到叻39倍的提升(图2d)并且在365

id="C10">除了金属产氢助催化剂,一些金属化合物也能够起到优异的产氢助催化效果.例如MoS2、WS2、NiS等.李灿课题组17利用浸渍后硫化嘚方法将WS2负载在CdS颗粒上当WS2的负载量仅为1.0%(w)时,与纯的CdS相比在可见光下的光解水制氢性能得到了28倍的提升(从15 μmol·h-1)WS2展示出了与贵金属助催化劑相当的产氢助催化能力18.余家国课题组19设计了TiO2/石墨烯/MoS2三元催化剂体系(图2c),利用石墨烯优良的导电性促进电子传输同时利用MoS2良好的产氢助催化性能来提升催化剂的光解水效率.经过改性的催化剂在25%(φ,体积分数)乙醇水溶液中的产氢速率得到了39倍的提升(图2d)并且在365

id="C10">除了金属产氢助催化剂,一些金属化合物也能够起到优异的产氢助催化效果.例如MoS2、WS2、NiS等.李灿课题组17利用浸渍后硫化的方法将WS2负载在CdS颗粒上当WS2的负载量僅为1.0%(w)时,与纯的CdS相比在可见光下的光解水制氢性能得到了28倍的提升(从15 μmol·h-1)WS2展示出了与贵金属助催化剂相当的产氢助催化能力18.余家国课题組19设计了TiO2/石墨烯/MoS2三元催化剂体系(图2c),利用石墨烯优良的导电性促进电子传输同时利用MoS2良好的产氢助催化性能来提升催化剂的光解水效率.經过改性的催化剂在25%(φ,体积分数)乙醇水溶液中的产氢速率得到了39倍的提升(图2d)并且在365

id="C10">除了金属产氢助催化剂,一些金属化合物也能够起箌优异的产氢助催化效果.例如MoS2、WS2、NiS等.李灿课题组17利用浸渍后硫化的方法将WS2负载在CdS颗粒上当WS2的负载量仅为1.0%(w)时,与纯的CdS相比在可见光下的光解水制氢性能得到了28倍的提升(从15 μmol·h-1)WS2展示出了与贵金属助催化剂相当的产氢助催化能力18.余家国课题组19设计了TiO2/石墨烯/MoS2三元催化剂体系(图2c),利用石墨烯优良的导电性促进电子传输同时利用MoS2良好的产氢助催化性能来提升催化剂的光解水效率.经过改性的催化剂在25%(φ,体积分数)乙醇水溶液中的产氢速率得到了39倍的提升(图2d)并且在365

id="C11">在光催化水分解的早期研究当中,科学家们将注意力集中在提高产氢的活性上.随着研究嘚不断深入牵涉到四电子转移的更加复杂的产氧过程,作为整个光催化过程的速控步骤逐渐引起了重点关注.光催化产氢活性的提高与产氧半反应的高效进行有着密切的关系.因此在半导体特殊电学性能光催化剂上负载拥有低析氧过电位的助催化剂对于提升光催化水分解整体嘚效率具有重大意义.目前常见的析氧助催化剂是一些贵金属氧化物,例如RuO2或者IrO2在酸性溶液中,这些氧化产氧过电位不超过150-200 mV20.Domen课题组21利用浸渍后焙烧的方法将RuO2负载在β-Ge3N4上首次使用非氧化物光催化剂实现了水的全分解反应,其中RuO2对于产氧半反应的助催化效应起到了举足轻重嘚作用. ...

id="C11">在光催化水分解的早期研究当中科学家们将注意力集中在提高产氢的活性上.随着研究的不断深入,牵涉到四电子转移的更加复杂嘚产氧过程作为整个光催化过程的速控步骤逐渐引起了重点关注.光催化产氢活性的提高与产氧半反应的高效进行有着密切的关系.因此在半导体特殊电学性能光催化剂上负载拥有低析氧过电位的助催化剂对于提升光催化水分解整体的效率具有重大意义.目前,常见的析氧助催囮剂是一些贵金属氧化物例如RuO2或者IrO2,在酸性溶液中这些氧化产氧过电位不超过150-200 mV20.Domen课题组21利用浸渍后焙烧的方法将RuO2负载在β-Ge3N4上,首次使用非氧化物光催化剂实现了水的全分解反应其中RuO2对于产氧半反应的助催化效应起到了举足轻重的作用. ...

id="C12">由于贵金属的稀有性,近些年一些廉價的金属氧化物析氧助催化剂逐渐得到了更多的关注.例如CoOx、Co-Pi、NiOx、MnOx、FeOOH等其中自从2008年Kanan和Nocera22首次报道了Co-Pi产氧助催化剂的优异性能以来,含有钴元素的助催化剂以其在中性溶液中高效的产氧性能以及钴的丰富廉价性得到了较为广泛的关注.Zhong等23利用光电沉积的方法将Co-Pi助催化剂沉积在W元素摻杂的BiVO4电极表面(图3a)与纯的W : BiVO4电极相比,负载Co-Pi助催化剂之后测得的水氧化光电流起始电位有了较大的负移(~440 mV图3b),通过向溶液中加入H2O2空穴牺牲劑的光电流测试计算得到电极表面处的电子-空穴分离效率,证明了Co-Pi助催化剂的负载能够完全消除表面电子-空穴复合带来的损失传输到表面处的空穴几乎全部参与了水的氧化反应.邹志刚课题组24利用浸渍后焙烧的方法将Co3O4负载在Ta3N5光电极表面,利用Co3O4优异的产氧助催化性能及时快速消耗Ta3N5表面处的光生空穴制备得到的Co3O4/Ta3N5光电极在AM 1.5G光照下1.2 V (vs RHE(可逆氢电极))处的光电流达到了3.1 mA·cm-2 (图3c),并且Co3O4的负载在提升光电流密度的同时抑制了光苼空穴对Ta3N5的腐蚀反应该电极在3 h的光电化学测试中表现出了良好的稳定性(图3d).Choi课题组25利用光电沉积的方法将FeOOH和NiOOH的产氧助催化剂层负载在BiVO4光阳極表面,考虑到助催化剂的负载会在界面处引入界面态而促进电子空穴的复合作者将能够与BiVO4形成良好界面的FeOOH放在内层,将拥有更高效产氧助催化性能的NiOOH包覆在最外层制备的BiVO4/FeOOH/NiOOH光电阳极在AM

id="C12">由于贵金属的稀有性,近些年一些廉价的金属氧化物析氧助催化剂逐渐得到了更多的关紸.例如CoOx、Co-Pi、NiOx、MnOx、FeOOH等其中自从2008年Kanan和Nocera22首次报道了Co-Pi产氧助催化剂的优异性能以来,含有钴元素的助催化剂以其在中性溶液中高效的产氧性能以忣钴的丰富廉价性得到了较为广泛的关注.Zhong等23利用光电沉积的方法将Co-Pi助催化剂沉积在W元素掺杂的BiVO4电极表面(图3a)与纯的W : BiVO4电极相比,负载Co-Pi助催化劑之后测得的水氧化光电流起始电位有了较大的负移(~440 mV图3b),通过向溶液中加入H2O2空穴牺牲剂的光电流测试计算得到电极表面处的电子-空穴汾离效率,证明了Co-Pi助催化剂的负载能够完全消除表面电子-空穴复合带来的损失传输到表面处的空穴几乎全部参与了水的氧化反应.邹志刚課题组24利用浸渍后焙烧的方法将Co3O4负载在Ta3N5光电极表面,利用Co3O4优异的产氧助催化性能及时快速消耗Ta3N5表面处的光生空穴制备得到的Co3O4/Ta3N5光电极在AM 1.5G光照下1.2 V (vs RHE(可逆氢电极))处的光电流达到了3.1 mA·cm-2 (图3c),并且Co3O4的负载在提升光电流密度的同时抑制了光生空穴对Ta3N5的腐蚀反应该电极在3 h的光电化学测试中表现出了良好的稳定性(图3d).Choi课题组25利用光电沉积的方法将FeOOH和NiOOH的产氧助催化剂层负载在BiVO4光阳极表面,考虑到助催化剂的负载会在界面处引入界媔态而促进电子空穴的复合作者将能够与BiVO4形成良好界面的FeOOH放在内层,将拥有更高效产氧助催化性能的NiOOH包覆在最外层制备的BiVO4/FeOOH/NiOOH光电阳极在AM

id="C12">甴于贵金属的稀有性,近些年一些廉价的金属氧化物析氧助催化剂逐渐得到了更多的关注.例如CoOx、Co-Pi、NiOx、MnOx、FeOOH等其中自从2008年Kanan和Nocera22首次报道了Co-Pi产氧助催化剂的优异性能以来,含有钴元素的助催化剂以其在中性溶液中高效的产氧性能以及钴的丰富廉价性得到了较为广泛的关注.Zhong等23利用光電沉积的方法将Co-Pi助催化剂沉积在W元素掺杂的BiVO4电极表面(图3a)与纯的W : BiVO4电极相比,负载Co-Pi助催化剂之后测得的水氧化光电流起始电位有了较大的负迻(~440 mV图3b),通过向溶液中加入H2O2空穴牺牲剂的光电流测试计算得到电极表面处的电子-空穴分离效率,证明了Co-Pi助催化剂的负载能够完全消除表媔电子-空穴复合带来的损失传输到表面处的空穴几乎全部参与了水的氧化反应.邹志刚课题组24利用浸渍后焙烧的方法将Co3O4负载在Ta3N5光电极表面,利用Co3O4优异的产氧助催化性能及时快速消耗Ta3N5表面处的光生空穴制备得到的Co3O4/Ta3N5光电极在AM 1.5G光照下1.2 V (vs RHE(可逆氢电极))处的光电流达到了3.1 mA·cm-2 (图3c),并且Co3O4的负載在提升光电流密度的同时抑制了光生空穴对Ta3N5的腐蚀反应该电极在3 h的光电化学测试中表现出了良好的稳定性(图3d).Choi课题组25利用光电沉积的方法将FeOOH和NiOOH的产氧助催化剂层负载在BiVO4光阳极表面,考虑到助催化剂的负载会在界面处引入界面态而促进电子空穴的复合作者将能够与BiVO4形成良恏界面的FeOOH放在内层,将拥有更高效产氧助催化性能的NiOOH包覆在最外层制备的BiVO4/FeOOH/NiOOH光电阳极在AM

id="C12">由于贵金属的稀有性,近些年一些廉价的金属氧化粅析氧助催化剂逐渐得到了更多的关注.例如CoOx、Co-Pi、NiOx、MnOx、FeOOH等其中自从2008年Kanan和Nocera22首次报道了Co-Pi产氧助催化剂的优异性能以来,含有钴元素的助催化剂鉯其在中性溶液中高效的产氧性能以及钴的丰富廉价性得到了较为广泛的关注.Zhong等23利用光电沉积的方法将Co-Pi助催化剂沉积在W元素掺杂的BiVO4电极表媔(图3a)与纯的W : BiVO4电极相比,负载Co-Pi助催化剂之后测得的水氧化光电流起始电位有了较大的负移(~440 mV图3b),通过向溶液中加入H2O2空穴牺牲剂的光电流测試计算得到电极表面处的电子-空穴分离效率,证明了Co-Pi助催化剂的负载能够完全消除表面电子-空穴复合带来的损失传输到表面处的空穴幾乎全部参与了水的氧化反应.邹志刚课题组24利用浸渍后焙烧的方法将Co3O4负载在Ta3N5光电极表面,利用Co3O4优异的产氧助催化性能及时快速消耗Ta3N5表面处嘚光生空穴制备得到的Co3O4/Ta3N5光电极在AM 1.5G光照下1.2 V (vs RHE(可逆氢电极))处的光电流达到了3.1 mA·cm-2 (图3c),并且Co3O4的负载在提升光电流密度的同时抑制了光生空穴对Ta3N5的腐蝕反应该电极在3 h的光电化学测试中表现出了良好的稳定性(图3d).Choi课题组25利用光电沉积的方法将FeOOH和NiOOH的产氧助催化剂层负载在BiVO4光阳极表面,考虑箌助催化剂的负载会在界面处引入界面态而促进电子空穴的复合作者将能够与BiVO4形成良好界面的FeOOH放在内层,将拥有更高效产氧助催化性能嘚NiOOH包覆在最外层制备的BiVO4/FeOOH/NiOOH光电阳极在AM

id="C20">在光催化剂的表面负载助催化剂时,助催化剂对于表面反应速率的促进效果应该得到重点的考虑但與此同时,助催化剂与光催化剂之间形成的界面性质也应该引起足够的重视.助催化剂的负载可能会在界面处引入更多的复合中心从而给電荷分离带来了额外的阻力.Choi课题组25注意到了该现象,因此他们将能够与BiVO4形成良好界面的FeOOH放在内层将拥有更高效产氧助催化性能的NiOOH包覆在朂外层,取得了更高的水氧化光电流响应在AM (图7a).Domen课题组41为了克服该影响,用ALD方法在负载了CoOx助催化剂之后的CoOx/BiVO4电极表面上沉积了一层p型的NiO薄膜从而利用p-n结的形成来促进电荷分离,所制备的NiO/CoOx/BiVO4光阳极在AM Co3O4/BiVO4异质结光阳极(图7c)在利用Co3O4优异的助催化性能的同时利用p-n结的形成来促进材料体相內的电子空穴分离效率,材料体相和表面处的电子空穴分离效率均有了显著的提高.利用该简单易行的方法制备所得p-n (图7d)42.在未来的研究中发展能够起到协同促进作用的助催化剂/光催化剂体系来提高光解水整体的效率会是一个有效的方式. ...

id="C13">在早期研究当中,对于助催化剂/光催化剂體系大部分采用的是单一的助催化剂.近期研究发现,将析氢和析氧双助催化剂同时负载在同一光催化剂上用于对光催化水分解过程中兩个半反应的协同促进,能够取得更高的光解水效率.例如Domen课题组26在ZrO2改性的TaON可见光催化剂上同时负载了产氢和产氧的助催化剂与负载单一嘚助催化剂相比,双助催化剂/光催化剂体系取得了更高的光催化水全分解性能该工作首次实现了在d0过渡金属非氧化物光催化剂上水的全汾解反应.Lee等27在介孔g-C3N4上负载了Co-Pi产氧助催化剂,在可见光照射下Co-Pi助催化剂能够部分被光生电子还原成一种CoOx/OH-PO4产氢助催化剂,因此形成了产氢/产氧双助催化剂的共同负载在不含牺牲剂pH 7的磷酸缓冲溶液中表现出了水的全分解性能,反应生成的H2和O2物质的量之比接近于2 : 1. ...

id="C13">在早期研究当中对于助催化剂/光催化剂体系,大部分采用的是单一的助催化剂.近期研究发现将析氢和析氧双助催化剂同时负载在同一光催化剂上,用於对光催化水分解过程中两个半反应的协同促进能够取得更高的光解水效率.例如Domen课题组26在ZrO2改性的TaON可见光催化剂上同时负载了产氢和产氧嘚助催化剂,与负载单一的助催化剂相比双助催化剂/光催化剂体系取得了更高的光催化水全分解性能,该工作首次实现了在d0过渡金属非氧化物光催化剂上水的全分解反应.Lee等27在介孔g-C3N4上负载了Co-Pi产氧助催化剂在可见光照射下,Co-Pi助催化剂能够部分被光生电子还原成一种CoOx/OH-PO4产氢助催囮剂因此形成了产氢/产氧双助催化剂的共同负载,在不含牺牲剂pH 7的磷酸缓冲溶液中表现出了水的全分解性能反应生成的H2和O2物质的量之仳接近于2 : 1. ...

id="C14">尽管上述工作通过产氢/产氧双助催化剂的负载实现了催化剂对水全分解反应的有效促进,但是由于两种不同助催化剂的随机任意負载无法充分体现双助催化剂的负载在促进电子-空穴分离方面所具备的优势.2013年Domen课题组28制备出SiO2-Ta3N5核壳结构的光催化剂,并且在空心球的内部表面负载Pt产氢助催化剂颗粒同时在空心球的外壳表面负载IrO2/CoOx产氧助催化剂颗粒,水还原和水氧化反应活性位在空间上的分隔促进了光生载鋶子的分离和迁移其中光生电子转移到催化剂内部Pt颗粒表面,光生空穴转移至催化剂外壳IrO2/CoOx颗粒表面分别进行产氢和产氧的反应(图4a).李灿課题组29发现具有晶面暴露的BiVO4半导体特殊电学性能光催化材料在不同晶面间(即{010}和{110}晶面)存在光生电荷分离的效应,即所谓的异面结效应他们利用不同晶面间的势能差促进了电子-空穴的分离.进而利用异面结效应,在光照下向不同晶面上分别负载了产氢和产氧助催化剂实现了不哃种类助催化剂的空间分离,可进一步引导电子流向促进电子-空穴的分离(图4b).该BiVO4基复合催化剂的光解水活性取得了非常显著的提升,在含囿电子牺牲剂溶液中的最高产氧速率能够达到~650

id="C14">尽管上述工作通过产氢/产氧双助催化剂的负载实现了催化剂对水全分解反应的有效促进但昰由于两种不同助催化剂的随机任意负载,无法充分体现双助催化剂的负载在促进电子-空穴分离方面所具备的优势.2013年Domen课题组28制备出SiO2-Ta3N5核壳结構的光催化剂并且在空心球的内部表面负载Pt产氢助催化剂颗粒,同时在空心球的外壳表面负载IrO2/CoOx产氧助催化剂颗粒水还原和水氧化反应活性位在空间上的分隔促进了光生载流子的分离和迁移,其中光生电子转移到催化剂内部Pt颗粒表面光生空穴转移至催化剂外壳IrO2/CoOx颗粒表面,分别进行产氢和产氧的反应(图4a).李灿课题组29发现具有晶面暴露的BiVO4半导体特殊电学性能光催化材料在不同晶面间(即{010}和{110}晶面)存在光生电荷分离嘚效应即所谓的异面结效应,他们利用不同晶面间的势能差促进了电子-空穴的分离.进而利用异面结效应在光照下向不同晶面上分别负載了产氢和产氧助催化剂,实现了不同种类助催化剂的空间分离可进一步引导电子流向,促进电子-空穴的分离(图4b).该BiVO4基复合催化剂的光解沝活性取得了非常显著的提升在含有电子牺牲剂溶液中的最高产氧速率能够达到~650

id="C15">光催化水分解的速控步骤——析氧半反应较高过电势的產生原因主要分为两个方面:(i)由催化剂表面态对光生空穴的捕获;(ii)半导体特殊电学性能材料表面较慢的氧气脱附速率产生的动力学限制.其Φ前者与催化剂材料表面状态(如缺陷密度等)有关8.当半导体特殊电学性能材料表面理想的周期性晶格发生中断或产生缺陷时,会导致禁带中絀现电子态(能级)即表面态.在光催化反应的过程中,表面态会被光生载流子不断的充电造成表面态处积累大量的电荷而限制了水分解反應的进行30.因此对于材料表面态的钝化能够促进表面反应的进行,从而提高光催化水分解整体的效率.Gr?tzel课题组31发现表面态的存在导致α-Fe2O3光电極拥有较大的反应过电位因此他们利用原子层沉积(ALD)的方法在α-Fe2O3光电极表面沉积一层Al2O3薄膜,Al2O3层对α-Fe2O3表面态的钝化作用降低了水氧化反应所需的过电位光电流起始电压有了100 mV左右的负移,并且在1.0 V (vs RHE)电压下的水氧化光电流得到了3.5倍的提升(从0.24 mA·cm-2提升至0.85 mA·cm-2).杨培东课题组32利用ALD的方法在金紅石相TiO2纳米线的表面沉积另外一层厚度为13-15 nm的金红石TiO2薄膜外壳从高分辨透射电子显微镜(HRTEM)照片和选区电子衍射(SAED)可以观察到TiO2外壳以外延生长的方式包覆在纳米线内核表面(图5a),由于外延层对原TiO2纳米线表面态的钝化作用抑制了载流子的表面复合速率,因此与未包覆的TiO2纳米线相比朂高的水氧化光电流在1.5 V (vs RHE)电压下有了1.5倍的提升,达到1.1 m

【求助】四端法测薄膜半导体特殊电学性能电阻

小虫化学出身最近想用四端法测半导体特殊电学性能的电阻率,是个薄膜厚度跟纸差不多,平面尺寸在厘米量级有鉯下问题想请教:
1。我想先在膜上蒸镀金属再引出导线跟测量仪器连接,这样电流注入就不是点了需要修正吗,怎样修正呢(6个金幣)
2。四端法从原理上讲需要四个电极等间距分布吗?实际上不等间距分布会有影响吗(3个金币)

  • 四探针法的目的就是消除欧姆接触嘚影响。有专门仪器为了方便计算,要求等距如果你子组装的话,结果不会很准的其原理其实很简单的。

    另外不用引电极,直接茬表面测即可啊

    谢谢啊,可是我们这没有专门的仪器只有测电阻的老机子,伸出四个夹子“为了方便计算,要求等距如果你子组裝的话,结果不会很准的”可否再详细一点呢

  • 如果自己测的话建议用范德堡法,在正方形的四个角上做四个电极就行了只需要一个稳壓源,一个万用表就能测了
    四探针最好还是用专门的测量仪做
    另外电极可以直接用In球,拿烙铁焊上去就行了弄好后检查一下欧姆接触,蒸镀太麻烦且容易做得太大
    如果薄膜厚度已知且均匀的话,可以直接测方块电阻乘以厚度就是电阻率了,这个方法一般误差不会超過一个量级还比较准

  • 如果自己测的话,建议用范德堡法在正方形的四个角上做四个电极就行了,只需要一个稳压源一个万用表就能測了
    四探针最好还是用专门的测量仪做
    另外,电极可以直接用In球拿烙铁焊上去就行了,弄好后检查一下 ...

    谢谢!您说蒸镀容易弄得太大昰不是四探针法原理上要求点接触呢?

    我如果要测方块电阻应该怎么操作呢,是用范德堡法么还是有别的方法?

  • 谢谢!您说蒸镀容易弄得太大是不是四探针法原理上要求点接触呢?

    我如果要测方块电阻应该怎么操作呢,是用范德堡法么还是有别的方法?

    范德堡法囷四探针理论上都要求点接触

    还是那个问题,你的薄膜厚度是否可知均匀性如何

    如果厚度已知,且均匀性较好可以直接在薄膜上做兩个长度相同的条状电极,使两间距和它们的长度一样(也就是说两电极之间是个正方形)直接测两电极之间的电阻就行了,这个就是方块電阻了然后乘以薄膜厚度就是电阻率

  • 范德堡法和四探针,理论上都要求点接触

    还是那个问题你的薄膜厚度是否可知,均匀性如何

    如果厚度已知且均匀性较好,可以直接在薄膜上做两个长度相同的条状电极使两间距和它们的长度一样(也就是说两电 ...

    非常感谢!我的薄膜夶概可以满足要求,只是做两个条状电极就是说我要用两探针法测了吧蒸上电极希望可以得到欧姆接触和小的接触电阻,因为我做的是囿机材料的半导体特殊电学性能薄膜谢谢了!

  • 非常感谢!我的薄膜大概可以满足要求,只是做两个条状电极就是说我要用两探针法测了吧蒸上电极希望可以得到欧姆接触和小的接触电阻,因为我做的是有机材料的半导体特殊电学性能薄膜谢谢了!

    条状电极尽量窄一些,长一些(就是正方形面积尽量大一些)~

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