中科院宁波材料况永波，朱宇CSC: 通过晶体生长控制在 BiOI 光阳极中超过 60% 的 IPCE

本文来源于ChemSusChem，欢迎浏览！

论文信息

研究背景

不断增长的全球能源需求，加上缓解气候变化的迫切需求，需要向可持续能源解决方案的范式转变。光电化学 （PEC） 技术利用丰富的太阳能来推动清洁燃料生产和环境修复（例如分解水和减少二氧化碳排放），是一个很有前途的途径。然而，高效 PEC 系统的实际实现从根本上取决于吸光半导体材料的性能，该材料是电荷分离和整体系统效率的关键引擎。

在各种半导体中，氧碘化铋（BiOI） 因其用于可见光收集的最佳带隙 （~1.7 eV） 以及固有的地球丰度和低毒性而引起了 PEC 应用的极大兴趣，这与可持续材料化学的原则相一致。 这些特性，再加上其有前景的光电催化活性和电荷载流子迁移率，使 BiOI 成为可持续 PEC 系统的令人信服的候选者。基于 BiOI 的 PEC 器件的 IPCE 有限，主要是由于促进电荷载流子复合的固有因素。这些缺陷包括由次优结晶度引起的结构缺陷（例如，点缺陷和晶界）、不理想的晶体取向以及由于形态限制（例如，颗粒尺寸和薄膜均匀性）而导致的低效电荷传输途径。通过精确控制 BiOI 材料的合成和加工来克服这些限制，对于实现其在可持续能源转换方面的承诺至关重要。为了应对这些挑战并提高 BiOI 性能，人们已经投入了大量精力来精确控制晶体生长。实现高质量的晶体结构对于最大限度地减少缺陷和晶界，从而抑制电荷复合和增强载流子传输至关重要。

文章概述

近日，由中科院宁波材料所人工光合成与能源催化团队的况永波教授领导的科研团队提出了基于 USP 的组合和可持续方法以精确控制 BiOI 晶体生长，从而显著增强 IPCE。通过利用 USP（一种可扩展且潜在的低成本沉积技术），并将 Triton X-100 （TRX） 作为非离子表面活性剂和晶体生长调节剂，以及三乙二醇醇 （TEG） 作为前驱体溶剂的组分。实现了对 BiOI 优先取向、结晶度和形态的前所未有的控制。与 Ag/AgCl 相比，在 0.4 V 下表现出超过 60% 的创纪录高 IPCE。全面的表征证实，我们的方法协同促进了高效的电荷载流子传输并最大限度地减少了本体复合，从而显着改善了电荷分离和收集。这些发现不仅为实现 BiOI 在可持续 PEC 技术中的全部潜力铺平了道路，而且还为精确控制其他高性能半导体材料中的晶体生长提供了有价值且可推广的策略，从而推动了可持续能源解决方案的发展。

图文导读

图1 晶体生长取向对 BiOI 光阳极 PEC 性能的影响。（a） 比较 BiOI 光阳极与通过电沉积制备的 （110） 取向和通过 USP 制备的 （102） 取向的 LSV 曲线。（b） 两个光阳极的 XRD 图谱，其中峰归因于 FTO 玻璃基板，用星号 （*） 标记。（c） TEM 图像和 （d） SEM 图像说明了两种 BiOI 光阳极之间的形态差异。（e） USP 合成的 BiOI 光阳极的晶体结构和生长偏好示意图。

图2 前驱体溶剂（EG 与 TEG）对通过 USP 沉积的 BiOI 光阳极结晶度的影响。（a） 比较 PEC 性能的 LSV 曲线。（b） X 射线衍射峰作为函数溶剂的 FWHM。（c） 比较 BiOI 纳米薄片厚度的 SEM 图像。

图3 USP 使用 EG 和 TEG 作为溶剂制备的 BiOI 光阳极的比较。（a） 低倍率的 SEM 图像。（b） EIS 奈奎斯特图。（c） 接触角测量。

图4 TRX 浓度 （0–4 vol%） 对通过 USP 的 BiOI 沉积的影响。（a） 不同 TRX 浓度的 BiOI 光阳极的 LSV 曲线。（b） X 射线衍射峰的 FWHM 随 TRX 浓度的变化。（c） 不同 TRX 浓度的 BiOI 光阳极的 SEM 照片。（d） BiOI 纳米薄片的平均厚度与 TRX 浓度的关系，误差线表示标准偏差。

图5 具有优化 TRX 浓度的 BiOI 光阳极的电化学和 PEC 表征。（a） 含和不含 1 vol% TRX 制备的 BiOI 光阳极的 （a） 奈奎斯特图和 （b） MS 图。（c） 具有 1 vol% TRX 的 BiOI 光阳极的 IPCE。（d） 在 0.4 V 下具有 1 vol% TRX 的 BiOI 光阳极的稳态光电流与 Ag/AgCl 电位的关系。

结论

团队通过在 USP 合成过程中通过调节添加剂来精确控制晶体生长，从而提高 BiOI 光阳极的 PEC 性能。优化后的 BiOI 光阳极实现了前所未有的超过 60 % 的 IPCE，这种改进归因于增强的结晶度、优先 （102） 晶体取向和优化的纳米片形态的协同效应，促进了高效的电荷分离和传输，同时减少了复合。未来的研究可以进一步探索这种方法的可扩展性及其在其他多元金属氧化物中的潜力，从而拓宽高效 PEC 材料的应用范围。

期刊简介

《ChemSusChem》发表以化学为核心、在可持续性研究各个领域具有影响力的科研成果，包括绿色合成与化学、能源储存与转化以及材料升级回收等方向。该期刊涵盖范围广泛，涉及可再生能源与材料、碳捕获与转化、氢能、环境化学、可持续催化以及绿色化学的所有方面。

点击投稿