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近日，湖北工業(yè)大學理學院（芯片產(chǎn)業(yè)學院）程正旺等提出了一種基于匹配帶隙和功函數(shù)的p-n異質(zhì)結(jié)指導，不僅促進了可見光吸收研究與應用，還極大地提高了光生載流子的分離與遷移效率，實現(xiàn)了高效服務品質、穩(wěn)定的PEC可見光析氫的發生。今天小編為大家分享該研究成果，希望對您的科學研究或工業(yè)生產(chǎn)帶來一些靈感和啟發(fā)影響。

應用方向：清潔能源新的動力，光電催化，分解水制氫發展契機，異質(zhì)結(jié)

正文：

光電催化分解水制氫（H₂）為解決能源消耗與環(huán)境污染問題提供了重要的解決方案廣泛關註，在實現(xiàn)我國“雙碳”戰(zhàn)略目標方面具有重要意義促進進步。然而，受限于單一催化劑有限的光吸收能力和光生電子-空穴對的復合優勢領先，導致可見光條件下的光電催化效率并不理想迎來新的篇章。因此，如何設計和合成高效推動並實現、穩(wěn)定的分解水光電催化劑成為領域內(nèi)的核心課題薄弱點。

針對上述科學問題，湖北工業(yè)大學理學院（芯片產(chǎn)業(yè)學院）程正旺等提出了一種基于匹配帶隙和功函數(shù)的p-n異質(zhì)結(jié)優化程度，不僅促進了可見光吸收積極性，還極大地提高了光生載流子的分離與遷移效率，實現(xiàn)了高效不斷豐富、穩(wěn)定的PEC可見光析氫實施體系。該工作以“Construction of nanorod-shaped TiO2/Cu3N p–n heterojunction for efficient visible-light hydrogen evolution”為題發(fā)表在國際期刊Journal of Materials Chemistry C上。

程正旺等采用磁控濺射法各有優勢，將p型Cu₃N薄膜沉積到一維n型TiO₂納米陣列上效果較好，形成了TiO₂/Cu₃N p-n異質(zhì)結(jié)。得益于合適的能隙和內(nèi)建電場的協(xié)同作用持續，形成的TiO₂/Cu₃N p-n異質(zhì)結(jié)不僅將帶隙從TiO₂的3.09 eV減小到TiO₂/Cu₃N的2.01 eV等多個領域，光響應范圍也從從紫外區(qū)擴展到可見光區(qū)域。此外高質量，光生電子-空穴對的分離和轉(zhuǎn)移效率明顯改善提供了有力支撐，平均載流子壽命延長了3倍。進一步地前景，在> 420 nm可見光照射和-0.97 V vs. RHE（可逆氫電極）條件下進一步意見，光電流密度從TiO₂的-0.33 mA/cm²提高到TiO₂/Cu₃N的-4.66 mA/cm²，提高了約14.12倍落到實處。此外服務水平，構(gòu)建的TiO₂/Cu₃N異質(zhì)結(jié)表現(xiàn)出穩(wěn)定的PEC析氫性能，相應的可見光分解水產(chǎn)氫速率達到6.98µmol/cm²/h技術創新。以上結(jié)果表明：構(gòu)建具有合適帶隙和功函數(shù)的p-n異質(zhì)結(jié)是提高TiO₂光電催化性能的一種有效途徑處理方法，并且有望應用于其他光電催化劑。本項研究為設計和制備高效持續向好、低成本習慣、無毒的PEC分解水電極和其他光電子化學應用提供了一條有效的途徑。

圖1. 樣品制備流程示意圖進展情況。

圖2. TiO₂/Cu₃N樣品的X射線衍射圖譜（XRD）的積極性。

圖3. TiO₂(a)，Cu₃N (b)和TiO₂/Cu₃N的莫特-肖特基曲線（MS）至關重要；TiO₂/Cu₃N界面的TEM圖像不久前；理論計算的平面平均電勢用上了，(e) TiO₂(101)，(f) Cu₃N(110)能力建設。

圖4. 直接帶隙TiO₂關註、TiO₂/Cu₃N ((αhν)^2~hν)和間接帶隙Cu3N ((αhν)^1/2~hν)的紫外-可見漫反射光譜(DRS) (a)和相應的Tauc圖(b)。

圖5. (a) 穩(wěn)態(tài)光致熒光(PL)光譜無障礙，(b) 時間分辨PL (TRPL)光譜連日來。

圖6. (a) TiO₂、Cu₃N及TiO₂/Cu₃N的表面光電壓譜（SPV）發揮重要帶動作用；(b) 在-0.97 V vs. RHE和> 420 nm光照射條件下意向，TiO₂、Cu₃N及TiO₂/Cu₃N的光電流密度-電壓曲線文化價值；(c) 電化學阻抗Nyquist圖。

圖7. (a) TiO₂/Cu₃N在> 420 nm可見光照射下PEC產(chǎn)氫H₂的循環(huán)穩(wěn)定性置之不顧。(b)本研究中TiO₂/Cu₃N的平均產(chǎn)氫速率與報道的TiO₂基異質(zhì)結(jié)結(jié)果的比較不斷完善。

圖8. > 420 nm可見光照射下，TiO₂/Cu₃N p-n異質(zhì)結(jié)的光生載流子遷移與光電催化分解水析氫機理圖方便。

配置推薦

本文中TiO₂及TiO₂/Cu₃N發(fā)光測試使用卓立漢光公司的OmniFluo990穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)熒光光譜儀完成基礎上。OmniFluo990為模塊化搭建結(jié)構(gòu)，通過搭配不同的光源應用領域、檢測器和各類附件保持競爭優勢，為紫外/可見/近紅外發(fā)光測試提供綜合解決方案，也為光電催化分解水制氫催化劑的研發(fā)提供有利工具相關性。

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