梯度元素掺杂实现光生载流子的定向传输

氢能作为一种洁净、可持续的能源载体备受关注，光电催化分解水制氢技术是在少量电能的辅助下将太阳能转化为化学能的过程，是一种有效的制氢途径。然而，合理地设计出太阳能利用率高、光生载流子分离效率好、稳定性强且廉价的光电催化剂仍面临着重大的挑战。

近日，天津大学化学系的张兵教授（点击查看介绍）课题组通过自模板原位转化的方式，在含有痕量氧的低真空煅烧条件下，得到氧梯度掺杂的自支撑三维树枝状CdS纳米棒（直径低于20 nm）阵列。首先，对于超细纳米材料，传统的掺杂方式一般为均相掺杂，仅仅改变半导体材料的带隙，难以实现光生载流子的高效分离。该课题组结合Fick扩散定律，在含有痕量氧的低真空下锻烧样品，痕量的氧由CdS棒的表面向中心扩散实现梯度氧化，同时其中的晶格硫在真空条件下梯度向外扩散，两者的协同扩散成功实现了氧在CdS棒中的梯度掺杂。这一梯度掺杂不仅缩小了CdS纳米棒的带隙，还实现了对CdS能级结构的梯度调控，构建内置电场，促进光生电子定向地由CdS纳米棒的表面传输到中心、进而到钛基底，并通过外电路传到对电极进行析氢反应。与此同时，光生空穴向相反方向传输，在催化剂表面进行氧化反应。光生载流子的定向传输有效降低了其复合的几率，并提高了有效利用率。此外，通过化学原位转化的方式制备三维等级超细分支的CdS纳米结构不仅提供了高活性比表面积，缩短了光生载流子的传输距离，还增强了对光的利用率。基于以上结构优势，制备的光电催化剂表现出优异的光电催化活性：相比于标准氢电极为0.4 V时，光电流密度（约为6.0 mA•cm^-2）是原始CdS的5倍，且至少42 h能保持稳定。这种梯度掺杂的策略实现了光生载流子的定向传输，提高了光生载流子的分离效率，有望为设计合成其他新颖的光/光电催化材料提供新的思路。

相关成果近期发表在Nano Energy上，文章的第一作者是天津大学的博士研究生余玉和博士后黄义。

该论文作者为：Yu Yu, Yi Huang, Yifu Yu, Yanmei Shi, Bin Zhang

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Design of Continuous Built-in Band Bending in Self-supported CdS Nanorod-based Hierarchal Architecture for Efficient Photoelectrochemical Hydrogen Production

Nano Energy, 2018, 43, 236, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.11.051

导师介绍

张兵

http://www.x-mol.com/university/faculty/13340